军爷的附加实验(随便写版)

在探索Hello World程序的执行过程中，我们将深入了解操作系统的各个方面，从创建进程开始，一直到程序的执行结束。这个故事以操作系统的视角展开，记录了整个过程中涉及的关键知识点。
hello要做什么要做的效果就是，把你写的操作系统代码，也就是一堆 0101…组成的二进制数，写到硬盘上的某个位置，把这块硬盘插在电脑上，按下电脑的开机键，最终在黑黑的屏幕上输出一个 hello world 字符串。

磁盘的启动
概括为下面的流程

创建进程

故事开始于一个用户决定运行Hello World程序的瞬间。用户敲击键盘，输入启动命令。这个命令被Shell捕获，Shell负责解释用户的命令并与操作系统进行交互。

当运行./hello时，操作系统会执行以下一系列步骤，从进程的角度来看：

1. 加载程序： 操作系统会在内存中加载hello可执行文件。这涉及将可执行文件的代码段、数据段和其他必要的部分加载到进程的地址空间。

2. 分配资源： 操作系统会为hello进程分配一些资源，包括内存空间、文件描述符、寄存器等。这确保了进程有足够的资源来执行。

3. 建立环境： 操作系统会为hello进程设置运行环境，包括设置命令行参数、环境变量等。这些信息将对程序的执行产生影响。

4. 创建进程控制块（PCB）： 操作系统会为hello创建一个进程控制块，其中包含了进程的状态信息、程序计数器、寄存器的值等。PCB用于跟踪和管理进程的执行。

5. 加载动态链接库（如果有的话）： 如果hello依赖于某些动态链接库，操作系统将加载这些库，以便在运行时解析程序中的外部符号。

6. 设置执行环境： 操作系统会为hello设置执行环境，包括清除寄存器、设置堆栈指针等，以确保程序执行的正确性。

7. 执行程序： 操作系统将控制权转交给hello的入口点，开始执行程序。程序开始运行，执行其中的指令，可能涉及到对系统调用的调用，文件的读写等操作。

8. 处理系统调用： 如果hello程序需要访问系统资源（如文件、网络等），它将通过系统调用请求操作系统提供相应的服务。操作系统会根据请求执行相应的内核功能。

9. 处理中断： 在程序执行过程中，可能会发生中断事件（如硬件中断、时钟中断等）。操作系统会响应这些中断，执行相应的中断处理程序。

10. 终止进程： 当hello程序执行完成或者出现错误时，操作系统会终止该进程。这可能涉及到释放分配给进程的资源、更新进程状态等操作。

总的来说，操作系统在执行可执行文件时扮演了很多角色，包括资源管理、环境设置、程序加载、中断处理等。这些步骤确保了程序能够在系统上正确运行并与其他进程协同工作。

# 伪代码示例

# 用户在Shell中输入字符，例如 ./hello，并按下Enter键
user_input = read_input_from_keyboard()

# 处理键盘输入中断
handle_keyboard_interrupt()

# Shell 解析用户输入
command = parse_user_input(user_input)

# 创建新进程
pid = fork()

if pid == 0:
    # 子进程执行 hello 程序
    exec("hello")

# 父进程等待子进程结束
wait(pid)

# 中断处理函数
def handle_keyboard_interrupt():
    # 从键盘缓冲区中读取字符
    char = read_char_from_keyboard_buffer()

    # 处理特殊字符
    if char == '\n':
        # 用户按下Enter键
        execute_command(command)

# 执行命令函数
def execute_command(command):
    if command == "./hello":
        # 加载并执行 hello 程序
        exec("hello")

以下是详细步骤
这个函数的主要任务是执行一个可执行文件，以下是该函数主要步骤的另一种表达方式：

1. 获取可执行文件的inode： 从文件系统中获取可执行文件的inode，以便后续的文件操作。

2. 检查文件权限： 检查可执行文件的访问权限，确保当前用户有权执行该文件。

3. 读取文件头部信息： 读取可执行文件的头部信息，以获取执行所需的关键信息。

4. 处理脚本文件： 如果可执行文件是脚本文件，则执行相应的处理操作。

5. 验证文件格式和大小： 检查可执行文件是否符合ZMAGIC格式，并确保文件大小正确，以避免错误执行。

6. 复制参数和环境变量： 将命令行参数和环境变量复制到新进程的地址空间中，以便新进程能够正确访问这些信息。

7. 更新文件描述符： 释放当前进程的可执行文件描述符，并为当前进程分配新的描述符。

8. 信号处理程序重置： 清空当前进程的信号处理程序，确保新进程不会继承旧的信号处理状态。

9. 文件关闭： 关闭当前进程打开的文件，以释放相关的系统资源。

10. 页表释放： 释放当前进程的页表，以便为新进程创建新的地址映射。

11. 协处理器状态重置： 重置当前进程的数学协处理器状态，确保新进程不会继承旧的数学协处理器状态。

12. LDT创建： 创建新的局部描述符表（LDT），以确保新进程有自己独立的段描述符表。

13. 堆栈和用户ID设置： 设置新进程的堆栈指针和用户ID，以确保正确的执行环境。

14. 加载代码和数据： 从磁盘加载可执行文件的代码和数据到新进程的地址空间中。

15. 设置入口点： 将新进程的入口点设置为可执行文件的入口点。

16. 设置堆栈指针： 将新进程的堆栈指针设置为新进程的堆栈顶部。

17. 成功返回： 返回0以表示执行成功。

内存管理

随着进程的创建，操作系统负责为Hello World程序分配内存空间。这包括代码段、数据段和堆栈。代码段存储程序的指令，数据段存储程序的静态数据，而堆栈则用于存储函数调用的信息。

在这个过程中，操作系统还会创建页表，用于将虚拟地址空间映射到物理内存。这有助于保护不同进程的内存空间，防止它们相互干扰。

结合考试的一个页表翻译题
给了一个内存表如下图所示，采用二级页表 让你翻译0x00467FA H写出具体翻译过程。 一级页表的起始地址是从0开始(4分)

0x00H 十六个字节的数字
0x10H 十六个字节的数字
0X20H 我记得都是0
0x30H 我记得都是0
0x40H 一大堆数字

0xFF0 也是数字 到0x2040一大堆数字	

PS： 这个题应该是按照10 、10、12翻译的，如果没算错的话 一级页表那里是1，二级页表是6，地址偏移自己算(之前说的都是十进制)，如果一级页表那里是4的话，应该是从0+4 * 4字节(页表项长度是4B)，也就是从第二行开始读四个字节，我记得当时应该是小端法读，就比如是34 57 85 A4 B3，转过来应该是B3 A4 85 57 34，之后应该是可以在0FF0到2040找到一个数的作为二级页表的起始地址，之后再找到64B的位置 也就是从起始地址+64B的位置 读四个字节，这样获得了三十二位数字之后将后边的12位制成0之后+一开始算的偏移就是最后的物理地址。

在Linux内核中，处理缺页异常的核心函数是 do_page_fault。当发生缺页异常时，内核会调用 do_page_fault 函数来处理。

以下是一个简化的代码示例，演示了当发生缺页异常时，内核可能调用的处理函数：

#include <linux/mm.h>
#include <linux/sched.h>

void handle_page_fault(struct pt_regs *regs)
{
    unsigned long address = read_cr2(); // 读取引发缺页异常的线性地址
    struct mm_struct *mm = current->mm;

    // 检查是否有空页面
    if (handle_mm_fault(mm, NULL, address, 0) == 0) {
        // 页面分配成功
        return;
    }

    // 处理无法分配页面的情况
    printk("Page fault at address: %lx\n", address);

    // 其他处理逻辑...
}

这里使用 handle_mm_fault 函数来尝试处理缺页异常，如果页面成功分配，函数返回0。如果分配失败，可能由于内存不足等原因，就需要进行其他处理逻辑。

IO与文件系统

Hello World程序在执行过程中可能需要进行输入输出操作。当程序尝试从标准输入读取数据或将数据写入标准输出时，操作系统介入并负责将数据传递给正确的设备。

同时，操作系统还会检索Hello World程序的可执行文件。这个文件可能存储在硬盘上的文件系统中。操作系统会根据文件系统的结构，将程序加载到内存中，并确保所有依赖的库和资源也被正确加载。

第四章：进程的调度、释放和回收
hello进程的调度日志由下所示：
4 J 30793
4 R 30793
6 N 30793
6 J 30794
4 W 30794
6 R 30795
4 J 30797
6 E 30798
4 R 30798
当hello进程新建并就绪后，进程4也就是sh进入等待状态，之后hello进程开始运行，并在结束前唤醒
sh，之后hello进程退出sh继续运行。

do_exit 函数实现了在进程退出时的一系列操作，以下是该函数主要功能的另一种表达方式：

int do_exit(long code)
{
    int i;
    free_page_tables(get_base(current->ldt[1]),get_limit(0x0f));
    free_page_tables(get_base(current->ldt[2]),get_limit(0x17));
    for (i=0 ; i<NR_TASKS ; i++)
    if (task[i] && task[i]->father == current->pid) {
    task[i]->father = 1;
    if (task[i]->state == TASK_ZOMBIE)
    /*assumption task[1] is always init */
    (void) send_sig(SIGCHLD, task[1], 1);
    }
    for (i=0 ; i<NR_OPEN ; i++)
    if (current->filp[i])
    sys_close(i);
    iput(current->pwd);
    current->pwd=NULL;
    iput(current->root);
    current->root=NULL;
    iput(current->executable);
    current->executable=NULL;
    if (current->leader && current->tty >= 0)
    tty_table[current->tty].pgrp = 0;
    if (last_task_used_math == current)
    last_task_used_math = NULL;
    if (current->leader)
    kill_session();
    current->state = TASK_ZOMBIE;
    current->exit_code = code;
    fprintk(3,"%d\tE\t%d\n",current->pid,jiffies);
    tell_father(current->father);
    schedule();
    return (-1); /* just to suppress warnings*/
}

1. 释放局部描述符表（LDT）页帧： 释放进程的局部描述符表页帧，确保释放了相关的系统资源。

2. 查找子进程并更新父子关系： 遍历任务数组，查找当前进程的子进程，并将其父进程设置为init进程。同时，如果找到僵尸进程，向init进程发送 SIGCHLD 信号。

3. 关闭所有打开的文件描述符： 遍历文件描述符数组，关闭当前进程打开的所有文件描述符。

4. 释放进程相关计数： 释放当前进程的工作目录、根目录、可执行程序等引用计数，确保相关资源得到释放。

5. 修改控制终端的组： 如果当前进程是会话领导进程，并且控制终端有效，则将控制终端的进程组设置为0。

6. 清除数学协处理器标记： 如果当前进程是最后使用数学协处理器的进程，将全局变量 last_task_used_math 设置为 NULL。

7. 清除会话（如果是会话领导进程）： 如果当前进程是会话领导进程，清除整个会话，确保相关进程的关联关系被解除。

8. 设置进程状态为僵尸状态： 将当前进程状态设置为僵尸状态，表示该进程已经退出。

9. 记录退出代码和时间： 将退出代码和当前时间记录，以供后续查询或分析使用。

10. 通知父进程： 向父进程发送通知，告知其子进程已经退出。

11. 执行度量调度： 执行调度算法，将 CPU 的控制权切换到其他就绪进程上运行。

12. 返回错误码-1： 函数最后返回错误码 -1，实际上，该返回语句可能永远不会被执行，因为函数中的 schedule() 调用将导致当前进程切换到其他进程。

通过这些操作，do_exit 函数确保了进程退出时释放了相关资源、更新了进程间关系，并通知了相关进程。这有助于系统的正常运作和资源管理。
第五章：执行Hello World

最终，Hello World程序准备好在其独立的进程中执行。操作系统通过调度算法决定何时运行这个进程。程序的指令被解释器加载到CPU中执行，而CPU的寄存器则保存了程序的状态和上下文信息。

在程序执行的过程中，操作系统会监视进程的状态，处理中断并确保进程能够安全地完成。当Hello World程序输出"Hello, World!"时，这一漫长而复杂的过程就算是结束了。

通过这个故事，我们深入了解了操作系统在Hello World程序执行过程中所扮演的关键角色，涉及到的进程管理、内存管理、IO、文件系统、缓冲、缺页中断等方方面面。这也让我们更加欣赏操作系统在计算机系统中的不可或缺的地位。