应用视角的操作系统

本讲内容：指令序列和高级语言的状态机模型；回答以下问题：

• 什么是软件 (程序)？
• 如何在操作系统上构造最小/一般/图形界面应用程序？
• 什么是编译器？编译器把一段程序翻译成什么样的指令序列才算 “正确”？

构建一个最小的程序

#include<stdio.h>
int main(){
	printf("Hello World\n");
	return 0;
}

gcc 编译出来的文件一点也不小

1. objdump 工具可以查看对应的汇编代码
2. –verbose 可以查看所有编译选项 (真不少)
3. printf 变成了 puts@plt
4. -Wl,–verbose 可以查看所有链接选项 (真不少)
   原来链接了那么多东西
   还解释了 end 符号的由来
5. -static 会链接 libc (大量的代码)

   gcc a.c 和 gcc a.c -static 有什么区别？

强行构造最小的 Hello, World？

int main(){

}

gcc -c hello.c    -> hello.o 
ld hello.o -e main   -> a.out

执行a.out,会发生Segmentation Fault.

如果改为

int main(){
	while(1);
}

再继续执行上面的编译命令，发现程序可以正常执行了（死循环）。

查看汇编语言，猜测程序返回时的 ret 出现了错误。

解决异常退出

解决办法：用一条特殊的指令请操作系统帮忙

movq $SYS_exit,  %rax   # exit(
movq $1,         %rdi   #   status=1
syscall                 # );

• 把 “系统调用” 的参数放到寄存器中
• 执行 syscall，操作系统接管程序
  • 程序把控制权完全交给操作系统
  • 操作系统可以改变程序状态甚至终止程序

理解高级编程语言程序

编程语言也是一个状态机

• 非递归的汉诺塔

  typedef struct {
    int pc, n;
    char from, to, via;
  } Frame;
  
  #define call(...) ({ *(++top) = (Frame) { .pc = 0, __VA_ARGS__ }; })
  #define ret()     ({ top--; })
  #define goto(loc) ({ f->pc = (loc) - 1; })
  
  void hanoi(int n, char from, char to, char via) {
    Frame stk[64], *top = stk - 1;
    call(n, from, to, via);
    for (Frame *f; (f = top) >= stk; f->pc++) {
      n = f->n; from = f->from; to = f->to; via = f->via;
      switch (f->pc) {
        case 0: if (n == 1) { printf("%c -> %c\n", from, to); goto(4); } 
        // 为什么goto(4)只是设置pc为3，是因为循环会++
  break;
        case 1: call(n - 1, from, via, to);   break;
        case 2: call(    1, from, to,  via);  break;
        case 3: call(n - 1, via,  to,  from); break;
        case 4: ret();                        break;
        default: assert(0);
      }
    }
  }

  什么叫函数调用

  函数是由很多个栈帧组成的，每一个栈帧都有一个PC

什么是函数调用？

函数调用就是在栈帧的顶部再加上一个栈帧，这个栈帧的PC是0，然后把参数放到栈上

什么是函数返回

把顶部的栈给抹掉

什么是执行一条语句

取最顶上栈帧PC上的语句执行

• 代码讲解
  这是递归版的汉诺塔

  void hanoi(int n, char from, char to, char via) {
    if (n == 1) {
      printf("%c -> %c\n", from, to);
    } else {
      hanoi(n - 1, from, via, to);
      hanoi(1,     from, to,  via);
      hanoi(n - 1, via,  to,  from);
    }
    // return 省略了
  }

  根据上面的思想，把整个hanoi函数理解成一个栈帧，每一个栈帧有一个PC，还需要参数信息

可以理解成函数体每一条语句都是一条PC指针
每一次循环，都会取最顶上的栈帧来操作
这也就是下部分的逻辑。

switch (f->pc) {
      case 0: if (n == 1) { printf("%c -> %c\n", from, to); goto(4); } break;
      case 1: call(n - 1, from, via, to);   break;
      case 2: call(    1, from, to,  via);  break;
      case 3: call(n - 1, via,  to,  from); break;
      case 4: ret();                        break;
      default: assert(0);
    }

操作系统上的软件 (应用程序)

任何程序 = minimal.S = 调用 syscall 的状态机

可执行文件是操作系统中的对象

• 与大家日常使用的文件 (a.c, README.txt) 没有本质区别

• 操作系统提供 API 打开、读取、改写 (都需要相应的权限)

查看可执行文件

• vim, cat, xxd 都可以直接 “查看” 可执行文件
• vim 中二进制的部分无法 “阅读”，但可以看到字符串常量
• 使用 xxd 可以看到文件以 “\x7f” “ELF” 开头
• Vscode 有 binary editor 插件

在 Vim 中输入 %!xxd 命令会将当前编辑的文件转换成十六进制表示，并在 Vim 中显示。这个命令的作用是将当前编辑的文件作为输入传递给 xxd 命令(%表示对整个文件执行操作)，xxd 命令会将其转换成十六进制格式，并将结果输出到标准输出流，此时 Vim 会将其读取并显示在编辑器中。

动手实验：观察程序的执行

工具程序代表：编译器 (gcc)

• 主要的系统调用：execve, read, write
• strace -f gcc a.c (gcc 会启动其他进程， -f选项会追踪所有子进程)
  • 可以管道给编辑器 vim -
  • 编辑器里还可以 %!grep (细节/技巧)

grep 命令的 -e 选项用于指定一个或多个匹配模式，这些模式可以是正则表达式或普通字符串。

strace ls |& grep -e read -e write

图形界面程序代表：编辑器 (xedit)

• 主要的系统调用：poll, recvmsg, writev
• strace xedit
  • 图形界面程序和 X-Window 服务器按照 X11 协议通信
  • 虚拟机中的 xedit 将 X11 命令通过 ssh (X11 forwarding) 转发到 Host