Nachos Lab06 Shell实现

思路分析

源码分析

在Nachos中提供一个Shell程序的雏形code/test/shell.c。这个程序干的事情很简单，通过输出--字符串用于标识等待输入，然后将读取的输入信息送入Exec系统调用中执行。该程序会反复执行上述操作。

其中涉及到了两个文件ConsoleInput和ConsoleOutput，查看其定义可知其在Unix系统中分别对应了标准输入流stdin和标准输出流stdout。因此这也就意味着想要模拟shell必须使用Unix文件系统，除非在Nachos中实现一套完整的输入输出方法。

#define ConsoleInput    0  
#define ConsoleOutput  1  

尽管使用的是Unix文件系统，但是被Exec调用执行的程序仍要自己实现。因此也需要实现或者修改一些Nachos内的系统调用，来执行Linux上的系统调用，从而做到对Unix文件系统执行命令。

另外，Nachos的用户程序，由于没有实现相关的Nachos系统库，也因此没有办法从外部向Nachos用户程序传参。这也就意味着部分命令，没法通过“用户程序 + 系统调用”的方式实现。

总之一句话，因为用的Unix文件系统，命令需要能够对Unix生效，所以在Nachos中调Unix的系统调用。另外，需要修改Shell以满足传参的需求。

Shell实现

前置条件

标准输入/输出流的处理

因为使用了标准输入/输出流，因此需要修改Write和Read系统调用的实现。具体实现方式见困难1 shell程序启动出现Segment Fault的错误。

相关命令设计

系统调用	功能	命令	使用方法
SC_Ls	查看当前目录	ls	ls
SC_Pwd	查看当前路径	pwd	pwd
SC_Cd	切换目录	cd	cd <path>
SC_Nf	新建文件	nf	nf <name>
SC_Nd	新建目录文件	nd	nd <name>
SC_Df	删除文件	df	df <name>
SC_Dd	删除目录	dd	dd <name>

改动Shell以支持参数输入

虽然没法将参数传递给其他的Nachos用户程序，但是可以直接在Shell程序中解析buffer来处理参数。此外由于Shell没有提供退出的接口，因此自己实现输入”q”来结束一个shell。

if( i > 0 ) {
	    if (i == 2 && buffer[0] == 'l' && buffer[1] == 's') {
	        Ls();
	    } else if (i == 3 && buffer[0] == 'p' && buffer[1] == 'w' && buffer[2] == 'd') {
	        Pwd();
	    } else if (buffer[0] == 'c' && buffer[1] == 'd' && buffer[2] == ' ') {
          Cd(buffer + 3);
	    } else if (buffer[0] == 'n' && buffer[1] == 'f' && buffer[2] == ' ') {
	        Nf(buffer + 3);
	    } else if (buffer[0] == 'n' && buffer[1] == 'd' && buffer[2] == ' ') {
          Nd(buffer + 3);
	    } else if (buffer[0] == 'd' && buffer[1] == 'f' && buffer[2] == ' ') {
          Df(buffer + 3);
      } else if (buffer[0] == 'd' && buffer[1] == 'd' && buffer[2] == ' ') {
          Dd(buffer + 3);
      } else if (buffer[0] == 'q') {
	        Halt();
	    } else {
          newProc = Exec(buffer);
          Join(newProc);
	    }
}

添加相关Linux系统调用接口

• System

在code/machine/sysdep.cc中导入C语言的stdlib.h库。System用于执行一个系统命令。

/*
 * code/machine/sysdep.h
 */
extern void System(char * comd);

/*
 * code/machine/sysdep.cc
 */
void System(char *comd) {
    system(comd);
}

• Chdir

Chdir用于切换工作目录。chdir函数位于C语言的unistd.h库。

void Chdir(char * path) {
    int r = chdir(path);
//    ASSERT(r == 0);
}

• Mkdir

mkdir用于创建目录。mkdir函数位于C语言的sys/stat.h库。由于mkdir还需要一个mode参数用于指定新目录的权限，这里不考虑用户输入，而是使用定值S_IRWXU代表着用户有读写执行的权限。

void Mkdir(char *name) {
    mkdir(name, S_IRWXU);
}

• Rmdir

rmdir用于删除一个空目录，如果目录非空删除操作会失败。rmdir位于C语言的unistd.h库。

void Rmdir(char *name) {
    rmdir(name);
}

命令程序实现

首先创建相关的系统调用号以及系统接口。

/*
 * code/userprog/syscall.h
 */
#define SC_Ls       11
#define SC_Pwd      12
#define SC_Cd       13
#define SC_Nf       14
#define SC_Nd       15
#define SC_Df       16
#define SC_Dd       17

void Ls();
void Pwd();
void Cd(char *path);
void Nf(char *name);
void Nd(char *name);
void Df(char *name);
void Dd(char *name);

然后实现用户接口，实现方式比较相似，因此此处仅列举出其中一个的实现方式。以及在code/userprog/exception.cc添加相应的接口和在code/userprog/syscalldep.h做具体的功能实现。

/*
 * code/test/start.s
 */
    .globl Ls
    .ent   Ls
Ls:
    addiu $2,$0,SC_Ls
    syscall
    j  $31
    .end Ls
      
...

Ls

使用c++的函数system来执行一个Linux命令。

void SysLs() {
    System("ls");
}

Pwd

同样使用c++的函数system来执行一个Linux命令。

void SysPwd() {
    System("pwd");
}

Cd

利用封装C语言的接口Chdir来实现。

void SysCd() {
    int base = machine->ReadRegister(4);
    int value;
    int count = 0;

    char *path = new char[255];
    do {
        while (!machine->ReadMem(base + count, 1, &value));
        path[count] = (char)value;
        count++;
    } while (value != '\0');

    Chdir(path);

    delete[] path;
}

Nf

直接使用文件系统提供的接口创建文件。

void SysNf() {
    int base = machine->ReadRegister(4);
    int value;
    int count = 0;

    char *name = new char[FileNameMaxLen + 1];
    do {
        while (!machine->ReadMem(base + count, 1, &value));
        name[count] = (char)value;
        count++;
    } while (value != '\0' && count <= FileNameMaxLen + 1);

    fileSystem->Create(name);

    delete[] name;
}

Df

同样，直接使用文件系统提供的接口删除文件。

void SysDf() {
    int base = machine->ReadRegister(4);
    int value;
    int count = 0;

    char *name = new char[FileNameMaxLen + 1];
    do {
        while (!machine->ReadMem(base + count, 1, &value));
        name[count] = (char)value;
        count++;
    } while (value != '\0' && count <= FileNameMaxLen + 1);

    fileSystem->Remove(name);

    delete[] name;
}

Nd

同样利用C函数mkdir实现文件的创建。

void SysNd() {
    int base = machine->ReadRegister(4);
    int value;
    int count = 0;

    char *name = new char[FileNameMaxLen + 1];
    do {
        while (!machine->ReadMem(base + count, 1, &value));
        name[count] = (char)value;
        count++;
    } while (value != '\0' && count <= FileNameMaxLen + 1);

    Mkdir(name);

    delete[] name;
}

Dd

利用C函数rmdir来实现文件夹的删除操作。

void SysDd() {
    int base = machine->ReadRegister(4);
    int value;
    int count = 0;

    char *name = new char[FileNameMaxLen + 1];
    do {
        while (!machine->ReadMem(base + count, 1, &value));
        name[count] = (char)value;
        count++;
    } while (value != '\0' && count <= FileNameMaxLen + 1);

    Rmdir(name);

    delete[] name;
}

测试结果

以及执行如下用户程序，来测试shell用户程序的执行。

int
main()
{   Create("aaa.txt");
    Exit(0);
}

遇到的困难

困难1 shell程序启动出现Segment Fault的错误

错误原因已经查明如下图所示，currentOffset是一个未初始化变量，因此其内的信息是不可访问的。也即图上的错误Cannot access memory at address 0x5。

/*
 * code/test/shell.c
 */
OpenFileId input = ConsoleInput;
OpenFileId output = ConsoleOutput;

解决方案：修改Write和Read系统调用的实现。作如下判断，对于标准输入流和标准输出流，则采取调用Unix系统调用的封装函数的方式处理。之所以不用OpenFile，而是直接调WriteFile和ReadPartial是为了处理stdin和stdout不支持lseek方法的问题。

// Write
if (openFileId == ConsoleInput || openFileId == ConsoleOutput) {
    WriteFile(openFileId, in, size);
}

// Read
if (openFileId == ConsoleInput || openFileId == ConsoleOutput) {
    r = ReadPartial(openFileId, out, size);
}

参考资料

[1] 百度文库. nachos Lab7实习报告[EB/OL]. https://wenku.baidu.com/view/a3e1f237a31614791711cc7931b765ce04087a54.html?re=view