进程和内存

一个xv6进程由用户空间内存（指令、数据和栈）和内核私有的每个进程的状态组成。 Xv6 分时 处理进程：它透明地在等待执行的进程集合中切换可用的CPU。 当一个进程不执行时，xv6会保存该进程的CPU寄存器，并在下次运行该进程时恢复它们。 内核为每个进程关联一个进程标识符，或 PID。

xv6 系统调用

系统调用	描述
int fork()	创建一个进程，返回子进程的PID。
int exit(int status)	终止当前进程；状态报告给wait()。无返回。
int wait(int *status)	等待一个子进程退出；退出状态在*status中；返回子进程PID。
int kill(int pid)	终止进程PID。成功返回0，错误返回-1。
int getpid()	返回当前进程的PID。
int sleep(int n)	暂停n个时钟周期。
int exec(char *file, char *argv[])	加载一个文件并带参数执行它；仅在出错时返回。
char *sbrk(int n)	将进程的内存增长n个零字节。返回新内存的起始地址。
int open(char *file, int flags)	打开一个文件；flags指示读/写；返回一个fd（文件描述符）。
int write(int fd, char *buf, int n)	从buf向文件描述符fd写入n个字节；返回n。
int read(int fd, char *buf, int n)	读入n个字节到buf；返回读取的字节数；文件末尾返回0。
int close(int fd)	释放打开的文件fd。
int dup(int fd)	返回一个新的文件描述符，引用与fd相同的文件。
int pipe(int p[])	创建一个管道，将读/写文件描述符放入p[0]和p[1]。
int chdir(char *dir)	更改当前目录。
int mkdir(char *dir)	创建一个新目录。
int mknod(char *file, int, int)	创建一个设备文件。
int fstat(int fd, struct stat *st)	将有关打开文件的信息放入*st。
int link(char *file1, char *file2)	为文件file1创建另一个名称(file2)。
int unlink(char *file)	删除一个文件。

Xv6系统调用。如无特别说明，这些调用成功时返回0，出错时返回-1。

一个进程可以使用 fork 系统调用创建一个新进程。 fork 为新进程提供调用进程内存的精确副本：它将调用进程的指令、数据和栈复制到新进程的内存中。 fork 在原始进程和新进程中都会返回。 在原始进程中，fork 返回新进程的PID。 在新进程中，fork 返回零。 原始进程和新进程通常被称为父进程和子进程。

例如，考虑以下用C编程语言编写的程序片段：

int pid = fork();
if(pid > 0){
  printf("parent: child=%d\n", pid);
  pid = wait((int *) 0);
  printf("child %d is done\n", pid);
} else if(pid == 0){
  printf("child: exiting\n");
  exit(0);
} else {
  printf("fork error\n");
}

exit 系统调用使调用进程停止执行并释放资源，如内存和打开的文件。 Exit接受一个整数状态参数，通常0表示成功，1表示失败。 wait 系统调用返回当前进程的一个已退出（或被杀死）的子进程的PID，并将子进程的退出状态复制到传递给wait的地址；如果调用者的子进程都没有退出，wait 会等待其中一个退出。 如果调用者没有子进程，wait 立即返回-1。 如果父进程不关心子进程的退出状态，它可以向 wait 传递一个0地址。

在示例中，输出行

parent: child=1234
child: exiting

可能会以任何顺序出现（甚至混合在一起），这取决于父进程或子进程哪个先到达其 printf 调用。 子进程退出后，父进程的 wait 返回，导致父进程打印

parent: child 1234 is done

尽管子进程最初具有与父进程相同的内存内容，但父进程和子进程使用独立的内存和独立的寄存器执行： 在一个进程中更改一个变量不会影响另一个进程。例如，当 wait 的返回值存储到父进程的 pid 中时，它不会改变子进程中的变量 pid。子进程中的 pid 值仍将为零。

exec 系统调用用从文件系统中加载的新内存映像替换调用进程的内存。 该文件必须具有特定的格式，该格式指定文件的哪一部分包含指令，哪一部分是数据，从哪个指令开始执行等。Xv6使用ELF格式，第3章将对此进行更详细的讨论。 通常，该文件是编译程序源代码的结果。 当 exec 成功时，它不会返回到调用程序；相反，从文件加载的指令在ELF头中声明的入口点开始执行。 exec 接受两个参数：包含可执行文件的文件名和一个字符串参数数组。 例如：

char *argv[3];
argv[0] = "echo";
argv[1] = "hello";
argv[2] = 0;
exec("/bin/echo", argv);
printf("exec error\n");

该片段将调用程序替换为以参数列表 echo hello 运行的程序 /bin/echo 的实例。 大多数程序忽略参数数组的第一个元素，该元素通常是程序的名称。

xv6 shell使用上述调用代表用户运行程序。shell的主要结构很简单；请参见 main (user/sh.c:/main/)。 主循环使用 getcmd 从用户读取一行输入。 然后它调用 fork，创建一个shell进程的副本。父进程调用 wait，而子进程运行命令。例如，如果用户向shell键入 echo hello，runcmd 将被调用，参数为 echo hello。 runcmd (user/sh.c:/runcmd/) 运行实际的命令。对于 echo hello，它会调用 exec (user/sh.c:/exec.ecmd/)。 如果 exec 成功，则子进程将执行来自 echo 的指令，而不是 runcmd。 在某个时候 echo 会调用 exit，这将导致父进程从 main (user/sh.c:/main/)中的 wait 返回。

您可能想知道为什么 fork 和 exec 没有合并成一个调用；我们稍后会看到，shell在其I/O重定向的实现中利用了这种分离。 为了避免创建重复进程然后立即替换它（使用 exec）的浪费，操作系统内核通过使用虚拟内存技术（如写时复制（见第4.4节））来优化 fork 在这种用例下的实现。

Xv6隐式地分配大多数用户空间内存：fork 分配子进程复制父进程内存所需的内存，而 exec 分配足以容纳可执行文件的内存。 在运行时需要更多内存的进程（例如，对于 malloc）可以调用 sbrk(n) 来将其数据内存增长n个零字节；sbrk 返回新内存的位置。