从零开始写 OS 内核 - 运行 shell

Posted 2021-09-03 navi

系列目录

• 序篇
• 准备工作
• Bios 启动到实模式
• GDT 与保护模式
• 虚拟内存初探
• 加载并进入 kernel
• 显示与打印
• 全局描述符表 GDT
• 中断处理
• 虚拟内存完善
• 实现堆和 malloc
• 第一个内核线程
• 多线程运行与切换
• 锁与多线程同步
• 进入用户态
• 进程的实现
• 系统调用
• 简单的文件系统
• 加载可执行程序
• 键盘驱动
• 运行 shell

shell 命令行

这是本系列最后一篇了，为这个 OS 加一个用户界面 shell，这算是 Linux 编程中最入门的经典教科书项目了，网上也可以找到很多小教程。这里也不多浪费时间，仅展示一下它的核心部分：

void print_shell() {
  printf("bash> ");
}

while (1) {
  print_shell();
  while (1) {
    int32 c = read_char();
    if (c == \'\\n\') {
      run_program();
      break;
    } else if (c < 128) {
      printf(c);
    }
}

shell 本质上只是一个壳，正如它的名字，它提供一个和用户交互的命令行界面，不停地等待用户输入字符并反馈打印出来；一旦用户按下了回车键，那么表示需要运行之前输入的命令行，这在 run_program 函数里实现：

void run_program() {
  // Parse cmd and get program and args.
  // ..
  
  // (fork + exec) new prgoram.
  int32 pid = fork();
  if (pid < 0) {
    printf("fork failed");
  } else if (pid > 0) {
    // parent
    int32 status;
    wait(pid, &status);
  } else {
    // child
    int32 ret = exec(program, args_index, (char**)args);
    exit(ret);
  }
}

这里首先 parse 用户刚才敲回车之前输入的命令行字符串，解析出可执行程序名，以及参数。然后就是经典的 fork + exec 组合，运行这个程序。程序名和参数都会被传递到 exec 系统调用的处理函数 process_exec，那里会从磁盘上读取该用户可执行文件并执行。这里命令行输入的程序名都很简单，也没有什么路径的概念，因为我们使用的 naive_fs 只有一层结构，所有文件全在顶层，所以直接用文件名就可以了。

fork 后的 parent 进程会调用 wait 系统调用阻塞等待 child 结束。关于 wait 和 exit 这组系统调用，我没有在这个系列里详细展开，读者可以自行阅读源码。

kernel 启动任务

我们来看一下这个 kernel 启动的过程，后台开启了哪些任务，以及如何最终进入 shell 界面。本节代码在 src/task/scheduler.c 中。

首先启动 kernel main 进程/线程，它是最原始的祖先进程，会做这几件事情：

• 创建 kernel 资源清理线程 kernel_clean_thread，这是一个后台线程，我用它专门做 process/thread 的资源最终回收工作，平时它是睡眠的，只有当有 process/thread 消亡需要清理时会唤醒；
• 创建 init 进程以及线程 kernel_init_thread，它会成为第一个用户进程，运行用户程序 init；在 init 程序里，我创建了 shell 进程，然后 init 进程就进入阻塞；在实际的 Linux 系统中，真实的 init 进程应该还需要作为一个后台任务，专门负责等待接管回收所有的孤儿进程（Orphan Process），我这里就不实现了，感兴趣的同学可以查资料学习一下；
• 上述两项工作完成后，这个原始线程就变成了 cpu_idle 线程，所谓 cpu idle 就是一条指令 hlt，它是在系统真的没有任何任务需要运行的情况才会被运行，它会使 CPU 进入一个低功耗运转的状态；

当然以上只是我个人启动 kernel 任务的实现方式，和 Linux 有点像但并不完全一致；这其实很随意的，这毕竟只是我们自己写的一个玩具 OS 而已，Linux 的方式也并非标准答案，只需要让系统各个重要的任务成功运行并调度起来就可以了。