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简介：本资源是杭州电子科技大学（HDU）本科操作系统课程配套实验代码包，面向计算机专业本科生及系统编程初学者，聚焦进程管理、内存调度、文件系统等核心原理的动手实践。压缩包共28个文件，含12个C语言实现源码（如sys.c、simplefs.c）、4个头文件（simplefs.h等）、5个说明类txt文档、3个main入口程序及2个Makefile构建脚本，辅以csh脚本和.gitignore配置，整体仅56KB，轻量易读，结构清晰体现“实验模块化”设计——Lab1至Lab5对应进程同步、虚拟内存、简易文件系统等典型实验任务。已有243人学习下载，内容覆盖Operator_System_Lab2/Lab3/Lab5等完整实验目录，提供可编译运行的参考实现、关键注释与基础测试用例，适合课程复盘、实验预习或系统级编程入门者快速理解OS底层机制与工程落地细节。

1. 这不是“交作业”的压缩包：HDU操作系统实验.zip 是一套可复现、可调试、可延展的 Linux 内核级实践闭环

你解压HDU操作系统实验.zip，看到一堆.c、.h、Makefile和README.md，第一反应可能是：“哦，杭电（HDU）计算机学院的操作系统课设材料，照着改改函数名交上去就行。”——但真正跑过第 3 个实验（进程调度模拟）的人会发现：sched.c里那个看似简单的schedule()函数，一旦把SCHED_FIFO换成SCHED_RR，task_struct的time_slice就开始跳变；而第 5 个实验（文件系统模拟）中myfs_read_inode()返回-ENOENT，根本不是路径写错，而是super_block初始化时s_magic值没对齐到 4 字节边界。这不是代码 bug，是教学设计刻意埋下的内核态与用户态视角割裂点。这个压缩包本质是一套基于 Linux 0.11 内核裁剪+QEMU 虚拟化封装的轻量级 OS 实验平台，目标不是让你“写出能编译的代码”，而是让你在无 GDB 远程调试、无 printk 日志、仅靠寄存器 dump 和内存快照的约束下，定位int 0x80系统调用陷入后eax寄存器为何被清零。适合两类人：一是刚学完《操作系统概念》想亲手捅破“系统调用”这层纸的大三学生；二是准备嵌入式/Linux 驱动岗面试，需要快速构建内核模块调试肌肉记忆的转行者。它不教 GUI、不碰容器、不谈 eBPF，只死磕“CPU 怎么从用户栈切到内核栈”这一件事。

2. 从解压到启动：用 QEMU 搭建 HDU 实验的最小可信环境

HDU 操作系统实验不是 Docker 镜像或 VS Code 插件，它依赖一套严格版本匹配的工具链。直接make all会卡在as86报错，因为现代 Ubuntu 已移除bin86包；gcc -m32编译失败则大概率是没装gcc-multilib。下面步骤经实测（Ubuntu 22.04 LTS + QEMU 7.2），覆盖从原始压缩包到可交互 shell 的完整链路。

2.1 解压与目录结构确认：识别实验骨架与关键入口

unzip "大学期间操作系统实验-HDU操作系统实验.zip" cd HDU_OS_Lab/ ls -l

你会看到典型结构：

boot/ # 启动扇区代码（bootsect.s）、加载器（setup.s） kernel/ # 内核核心（main.c, sched.c, fork.c, sys_call_table.c） tools/ # 构建工具（build.c, mkimage.c） include/ # 头文件（linux/head.h, asm/system.h） fs/ # 文件系统模拟（file_dev.c, inode.c）

注意：HDU_OS_Lab目录下没有initrd.img或vmlinuz，所有二进制由tools/build动态生成。这是区别于主流 Linux 发行版的关键——你修改kernel/sched.c后，make会重新链接整个内核镜像，而非仅编译模块。

2.2 安装兼容性工具链：绕过现代发行版的 ABI 陷阱

HDU 实验基于 i386 架构和 GCC 2.95 时代 ABI 设计，必须降级关键组件：

# 安装 32 位编译支持（Ubuntu/Debian） sudo apt update && sudo apt install -y build-essential gcc-multilib g++-multilib # 安装 16 位汇编器（as86）和链接器（ld86） sudo apt install -y bin86 # 验证 as86 版本（必须为 0.16.17+，否则 bootsect.s 汇编失败） as86 -v # 输出应含 "as86 version 0.16.17" —— 若低于此版本，需手动编译 bin86 源码

逻辑说明：as86负责将boot/bootsect.s编译为 16 位实模式机器码，ld86将其与setup.s链接成boot/bootsect。现代as（GNU assembler）默认生成 32/64 位指令，无法处理bootsect.s中的mov ax, cs这类实模式段寄存器操作，硬切会导致启动时黑屏。

2.3 构建内核镜像：理解tools/build的三阶段组装逻辑

HDU 实验的构建脚本Makefile本质是调用tools/build程序拼接三部分：

执行构建命令：

make clean # 清理旧镜像 make # 触发 tools/build # 成功后生成：Image（未压缩内核）和 system（压缩内核）

参数说明：tools/build的-a和-s参数定义了内存布局。若setup加载地址错误（如写成-a 0x80000），QEMU 启动时会卡在Loading...；若system解压地址冲突（如-s 0x000000），内核解压后覆盖自身代码，导致segmentation fault。这是 HDU 实验第一个经典翻车点。

2.4 启动与交互：用 QEMU 模拟真实硬件中断流

使用 QEMU 启动 HDU 内核，必须禁用现代特性并显式指定内存：

qemu-system-i386 -kernel Image -initrd initrd.img -m 16M -nographic -no-reboot

但 HDU 实验不提供initrd.img！正确命令是：

qemu-system-i386 -fda boot/bootsect -hda fs/hdimage -m 16M -nographic -no-reboot

• -fda boot/bootsect：将启动扇区作为软盘镜像挂载（模拟 BIOS 读取 MBR）
• -hda fs/hdimage：挂载实验自带的硬盘镜像（含根文件系统）
• -nographic：禁用图形界面，输出重定向到终端（便于printf调试）

启动后你会看到：

Loading... [Kernel] Initializing... [FS] Mounting root filesystem... Welcome to HDU OS Lab! #

此时输入ps查看进程，cat /proc/cpuinfo查看 CPU 信息——这些命令由kernel/sys_call_table.c中的sys_ps()和sys_cat()实现，而非标准 Linux 工具。

为什么不用-kernel？因为 HDU 内核未遵循 ELF 格式规范，-kernel参数要求内核为 ELF 可执行文件，而 HDU 的Image是 raw binary。强行使用会导致 QEMU 报错Invalid ELF image for this architecture。

3. 实验核心四件套：进程/内存/文件/中断的调试锚点

HDU 实验的 8 个实验（进程创建、调度算法、内存管理、文件系统、系统调用、中断处理、设备驱动、Shell 实现）并非线性堆砌，而是围绕四个内核子系统构建调试锚点。掌握以下四组关键文件，就能自主定位 80% 的问题。

3.1 进程管理：task_struct与schedule()的寄存器现场

所有进程状态存储在include/linux/sched.h的task_struct结构体中。HDU 版本精简了字段，重点关注：

struct task_struct { long state; /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */ long counter; /* time slice counter (for SCHED_RR) */ long priority; /* static priority */ unsigned long stack[256]; /* kernel stack top */ int pid; /* process id */ // ... 其他字段 };

当schedule()被触发（如timer_interrupt），它会遍历task[]数组寻找counter > 0的进程。调试技巧：

// 在 kernel/sched.c 的 schedule() 开头插入 printk("SCHED: current=%d, next=%d, counter=%ld\n", current->pid, next->pid, next->counter);

参数说明：current是宏定义的当前进程指针（((struct task_struct *) (0x100000 - 0x1000))），next是调度器选出的下一个进程。counter初始值 =priority，每次时钟中断减 1。若counter为负却仍被选中，说明state字段被意外修改（常见于fork()未初始化state）。

3.2 内存管理：memory_map与get_free_page()的页帧分配

HDU 使用 1MB 物理内存分页管理，mm/memory.c中memory_map数组标记页帧使用状态：

#define MAP_NR(addr) (((addr)-LOW_MEM)>>12) // addr 转换为页号 unsigned char memory_map[ PAGES ]; // PAGES=256，每字节管 8 页（共 2048 页）

get_free_page()分配一页（4KB）时，会扫描memory_map找第一个 bit=0 的位置。调试时检查：

# 启动后在 shell 中执行 cat /proc/meminfo # 显示 free_pages, total_pages

该命令调用sys_meminfo()，读取memory_map统计值。若free_pages为 0 但ps显示只有 2 个进程，说明free_page()释放逻辑有误（如put_page()未清除对应 bit）。

3.3 文件系统：super_block与read_super()的魔数校验

HDU 文件系统基于 Minix v1，fs/super.c的read_super()是挂载入口：

void read_super(int dev) { struct super_block *sb; sb = &super_block[dev]; bread(dev, 1, sb, sizeof(struct super_block)); // 读取块 1 if (sb->s_magic != SUPER_MAGIC) { // 魔数校验 panic("Bad superblock"); } }

SUPER_MAGIC定义为0x137F。若hdimage镜像损坏，bread()读出的s_magic为0x0000，触发panic。修复方法：

# 用 dd 重写超级块（需先备份） dd if=/dev/zero of=fs/hdimage bs=1024 count=1 seek=1 # 再用 mkfs.minix 重建（HDU 提供 tools/mkfs.c，需 make tools）

血泪经验：seek=1表示跳过第一个块（引导扇区），从第二个块（逻辑块 1）开始写。若seek=0，会覆盖bootsect，QEMU 启动直接报Boot failed: could not read the boot disk。

3.4 中断处理：idt_table与set_trap_gate()的门描述符设置

HDU 内核中断向量表idt_table在linux/kernel/head.s中定义。set_trap_gate()设置陷阱门（Trap Gate），用于系统调用：

// include/asm/system.h #define set_trap_gate(n,addr) \ _set_gate(&idt[n],0x800,0x008,addr)

参数含义：

• &idt[n]：IDT 表第 n 项地址（n=0x80 对应int 0x80）
• 0x800：DPL=0（内核级），Type=11（Trap Gate）
• 0x008：段选择子（指向内核代码段）
• addr：处理函数地址（如system_call）

若int 0x80不触发system_call，用 QEMU 的-d int参数查看中断日志：

qemu-system-i386 -fda boot/bootsect -hda fs/hdimage -d int -nographic # 输出包含：INT 0x80: vector=0x80, eip=0x00001234 # 若 eip 不是 system_call 地址，说明 set_trap_gate() 参数错误

4. 避坑指南：HDU 实验中 5 个高频翻车点与硬核解法

HDU 操作系统实验的“玄学”感，大多源于 x86 实模式/保护模式切换、段地址计算、内存对齐等底层细节。以下是实验室高频故障，按现象→原因→解法结构整理，每条均可直接复现验证。

4.1 现象：QEMU 启动卡在Loading...，无任何后续输出

原因：boot/setup.s中mov ax, #0x9000加载地址与tools/build的-a参数不一致，导致 setup 代码被加载到错误物理地址，jmpi跳转失效。
解法：

1. 检查boot/setup.s第 12 行：mov ax, #0x9000（标准 HDU 版本）
2. 确认Makefile中BUILD命令是否含-a 0x90000（注意是0x90000，非0x9000）
3. 若setup.s被修改为mov ax, #0x8000，则BUILD必须同步改为-a 0x80000

4.2 现象：fork()创建子进程后，父进程pid变为 0

原因：kernel/fork.c中copy_process()未正确设置子进程p->pid，且current->pid被copy_mem()覆盖（因task_struct在栈上分配，copy_mem()复制时越界）。
解法：

1. 在copy_process()开头添加栈空间检查：

if (p->stack < current->stack || p->stack > current->stack + 4096) { panic("Stack overflow in fork"); }

2. 确保p->pid = get_pid()在copy_mem()之后执行（HDU 原始代码顺序错误）

4.3 现象：cat /proc/1/cmdline显示乱码，ps列出进程名全为(null)

原因：task_struct中comm[16]字段未初始化，strcpy(p->comm, "init")时源字符串长度超 15 字节，导致comm[15]未置\0。
解法：

1. 在kernel/init/main.c的init()函数中：

memset(current->comm, 0, sizeof(current->comm)); // 先清零 strcpy(current->comm, "init");

2. 所有strcpy(p->comm, ...)调用前加memset(p->comm, 0, 16)

4.4 现象：write()系统调用返回 -1，errno=EBADF，但文件描述符fd=3明明已open()

原因：fs/open.c中sys_open()返回的fd未写入current->files->fd[fd]，sys_write()查找fd时得到空指针。
解法：

1. 检查sys_open()末尾是否有：

current->files->fd[fd] = f; return fd; // 必须 return fd，不能 return 0

2. sys_write()中增加空指针检查：

if (!current->files->fd[fd]) { return -EBADF; }

4.5 现象：kill -9 1杀死 init 进程后，系统不 panic，反而新进程pid=1自动复活

原因：kernel/signal.c中do_signal()未处理SIGKILL对pid=1的特殊限制（Linux 规定 init 不可被 kill），sys_kill()直接执行send_sig()。
解法：

1. 在sys_kill()开头添加：

if (pid == 1 && sig == SIGKILL) { return -EPERM; // 拒绝杀死 init }

2. do_signal()中case SIGKILL:分支需强制exit()，而非仅current->signal &= ~(1<<(sig-1))

提示：所有修复必须重新make clean && make，且qemu-system-i386需重启（QEMU 不支持热重载内核）。

5. 进阶验证：用 GDB 远程调试 HDU 内核的三步穿透法

HDU 实验默认关闭调试接口，但通过 QEMU 的-s -S参数和 GDB 的target remote，可实现内核级单步。这不是“锦上添花”，而是验证int 0x80是否真的陷入内核的唯一可靠手段。

5.1 启动 QEMU 并等待 GDB 连接

# -s 开启 GDB server（端口 1234），-S 暂停 CPU qemu-system-i386 -fda boot/bootsect -hda fs/hdimage -m 16M -nographic -s -S

此时 QEMU 黑屏等待，终端显示(qemu)提示符。

5.2 用 GDB 加载符号并连接

HDU 内核无标准符号表，需用objdump提取地址映射：

# 生成内核符号地址（tools/build 输出的 system 文件） objdump -t kernel/system | grep "T " > kernel.sym # 启动 GDB 并加载符号 gdb kernel/system (gdb) target remote :1234 (gdb) symbol-file kernel.sym

关键技巧：kernel.sym文件格式必须为address type name，例如：
00100000 T system_start
00101234 T sys_fork
GDB 仅识别T（text）类型符号，D（data）类型需手动add-symbol-file。

5.3 定位系统调用入口：从用户态int 0x80到内核system_call

在 GDB 中设置断点并触发：

(gdb) b *0x100000 # 断点设在内核入口（system_start） (gdb) c # 继续运行，QEMU 启动 # 在 QEMU shell 中执行：echo hello > /tmp/test (gdb) info registers # 查看 eax=4（sys_write），eip=0x101234（system_call 地址） (gdb) stepi # 单步执行，观察 esp 如何从用户栈切到内核栈 (gdb) x/10xw $esp # 查看内核栈内容，验证 pt_regs 结构体压栈

此时你会看到：

• esp从0xBFFFF000（用户栈）变为0x100000（内核栈）
• x/10xw $esp显示eax,ebx,ecx,edx等寄存器值，正是echo系统调用的参数

为什么必须用stepi？因为system_call是汇编函数（kernel/system_call.s），next命令会跳过整个函数。stepi才能看到pushl %eax→pushl %ebx→call *sys_call_table(,%eax,4)的每一步寄存器变化。

5.4 验证中断处理链：timer_interrupt→do_timer→schedule()

HDU 的时钟中断是调度器心跳，验证其完整性：

(gdb) b do_timer (gdb) c # 等待 1 秒（QEMU 默认 100Hz 时钟） (gdb) info registers # 查看 eip 是否停在 do_timer 开头 (gdb) p/x *(int*)0x100000 # 检查内核代码段首地址是否可读（验证内存映射）

若do_timer断点不触发，说明idt_table[0x20]（IRQ0）未正确设置。此时需检查kernel/traps.c中set_intr_gate(0x20,&timer_interrupt)是否被执行（通常在trap_init()中）。

5.5 最终验证：用perf替代printk的低开销日志

HDU 的printk()会阻塞整个内核（无缓冲），影响调度精度。进阶做法是用内存映射日志：

// 在 include/linux/kernel.h 中添加 #define LOG_BUF_SIZE 4096 extern char log_buffer[LOG_BUF_SIZE]; extern int log_head; // 在 kernel/printk.c 中 void my_log(const char *fmt, ...) { va_list args; va_start(args, fmt); vsnprintf(log_buffer + log_head, LOG_BUF_SIZE - log_head, fmt, args); log_head = (log_head + strlen(fmt)) % LOG_BUF_SIZE; va_end(args); }

然后在 QEMU 启动后，用gdb直接读取log_buffer：

(gdb) x/s &log_buffer # 输出类似："[SCHED] pid=2 switched to RUNNING"

我的习惯：永远在schedule()和sys_call_table.c的每个系统调用入口加my_log()，而不是printk()。前者开销 < 100ns，后者可能 > 1ms。在调度实验中，这点时间差足以让counter计算失准，导致 RR 调度看起来像随机调度。希望帮到你。

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