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MIT-6.828-JOS-lab4:PreemptiveMultitasking

Lab4:PreemptiveMultitaskingtags:mit-6.828,os概述本文是lab4的实验报告,主要围绕进程相关概念进行介绍。主要将四个知识点:

Lab 4: Preemptive Multitasking

tags: mit-6.828, os


概述

本文是lab4的实验报告,主要围绕进程相关概念进行介绍。主要将四个知识点:

  1. 开启多处理器。现代处理器一般都是多核的,这样每个CPU能同时运行不同进程,实现并行。需要用锁解决多CPU的竞争。
  2. 实现进程调度算法。
  3. 实现写时拷贝fork(进程创建)。
  4. 实现进程间通信

Part A: Multiprocessor Support and Cooperative Multitasking

该部分做三件事:

  1. 使JOS支持多CPU
  2. 实现系统调用允许普通进程创建新的进程
  3. 实现协作式进程调度

Multiprocessor Support

我们将使JOS支持"symmetric multiprocessing" (SMP),这是一种所有CPU共享系统资源的多处理器模式。在启动阶段这些CPU将被分为两类:

  1. 启动CPU(BSP):负责初始化系统,启动操作系统。
  2. 应用CPU(AP):操作系统启动后由BSP激活。
    哪一个CPU是BSP由硬件和BISO决定,到目前位置所有JOS代码都运行在BSP上。
    在SMP系统中,每个CPU都有一个对应的local APIC(LAPIC),负责传递中断。CPU通过内存映射IO(MMIO)访问它对应的APIC,这样就能通过访问内存达到访问设备寄存器的目的。LAPIC从物理地址0xFE000000开始,JOS将通过MMIOBASE虚拟地址访问该物理地址。

Exercise 1

实现kern/pmap.c中的mmio_map_region()。
解决:可以参照boot_map_region()

void *
mmio_map_region(physaddr_t pa, size_t size)
{
    // Where to start the next region.  Initially, this is the
    // beginning of the MMIO region.  Because this is static, its
    // value will be preserved between calls to mmio_map_region
    // (just like nextfree in boot_alloc).
    static uintptr_t base = MMIOBASE;

    // Reserve size bytes of virtual memory starting at base and
    // map physical pages [pa,pa+size) to virtual addresses
    // [base,base+size).  Since this is device memory and not
    // regular DRAM, you'll have to tell the CPU that it isn't
    // safe to cache access to this memory.  Luckily, the page
    // tables provide bits for this purpose; simply create the
    // mapping with PTE_PCD|PTE_PWT (cache-disable and
    // write-through) in addition to PTE_W.  (If you're interested
    // in more details on this, see section 10.5 of IA32 volume
    // 3A.)
    //
    // Be sure to round size up to a multiple of PGSIZE and to
    // handle if this reservation would overflow MMIOLIM (it's
    // okay to simply panic if this happens).
    //
    // Hint: The staff solution uses boot_map_region.
    //
    // Your code here:
    size = ROUNDUP(pa+size, PGSIZE);
    pa = ROUNDDOWN(pa, PGSIZE);
    size -= pa;
    if (base+size >= MMIOLIM) panic("not enough memory");
    boot_map_region(kern_pgdir, base, size, pa, PTE_PCD|PTE_PWT|PTE_W);
    base += size;
    return (void*) (base - size);
}

Application Processor Bootstrap

在启动AP之前,BSP需要搜集多处理器的信息,比如总共有多少CPU,它们的LAPIC ID以及LAPIC MMIO地址。mp_init()函数从BIOS中读取这些信息。具体代码在mp_init()中,该函数会在进入内核后被i386_init()调用,主要作用就是读取mp configuration table中保存的CPU信息,初始化cpus数组,ncpu(总共多少可用CPU),bootcpu指针(指向BSP对应的CpuInfo结构)

真正启动AP的是在boot_aps()中,该函数遍历cpus数组,一个接一个启动所有的AP,当一个AP启动后会执行kern/mpentry.S中的代码,然后跳转到mp_main()中,该函数为当前AP设置GDT,TTS,最后设置cpus数组中当前CPU对应的结构的cpu_status为CPU_STARTED。更多关于SMP的知识可以参考:https://pdos.csail.mit.edu/6.828/2018/readings/ia32/MPspec.pdf和https://wenku.baidu.com/view/615ea3c6aa00b52acfc7ca97.html

Per-CPU State and Initialization

JOS使用struct CpuInfo结构来记录CPU的信息:

struct CpuInfo {
    uint8_t cpu_id;                 // Local APIC ID; index into cpus[] below
    volatile unsigned cpu_status;   // The status of the CPU
    struct Env *cpu_env;            // The currently-running environment.
    struct Taskstate cpu_ts;        // Used by x86 to find stack for interrupt
};

cpunum()总是返回调用它的CPU的ID,宏thiscpu提供了更加方便的方式获取当前代码所在的CPU对应的CpuInfo结构。
每个CPU如下信息是当前CPU私有的:

  1. 内核栈:内核代码中的数组percpu_kstacks[NCPU][KSTKSIZE]为每个CPU都保留了KSTKSIZE大小的内核栈。从内核线性地址空间看CPU 0的栈从KSTACKTOP开始,CPU 1的内核栈将从CPU 0栈后面KSTKGAP字节处开始,以此类推,参见inc/memlayout.h。
  2. TSS和TSS描述符:每个CPU都需要单独的TSS和TSS描述符来指定该CPU对应的内核栈。
  3. 进程结构指针:每个CPU都会独立运行一个进程的代码,所以需要Env指针。
  4. 系统寄存器:比如cr3, gdt, ltr这些寄存器都是每个CPU私有的,每个CPU都需要单独设置。

到目前为止CpuInfo和Env关系可以总结如下:Env和CpuInfo关系

Exercise 3:

修改mem_init_mp(),将内核栈线性地址映射到percpu_kstacks处的物理地址处。
解决:本质上是修改kern_pdir指向的页目录和页表,按照inc/memlayout.h中的结构进行映射即可。

static void
mem_init_mp(void)
{
    // Map per-CPU stacks starting at KSTACKTOP, for up to 'NCPU' CPUs.
    //
    // For CPU i, use the physical memory that 'percpu_kstacks[i]' refers
    // to as its kernel stack. CPU i's kernel stack grows down from virtual
    // address kstacktop_i = KSTACKTOP - i * (KSTKSIZE + KSTKGAP), and is
    // divided into two pieces, just like the single stack you set up in
    // mem_init:
    //     * [kstacktop_i - KSTKSIZE, kstacktop_i)
    //          -- backed by physical memory
    //     * [kstacktop_i - (KSTKSIZE + KSTKGAP), kstacktop_i - KSTKSIZE)
    //          -- not backed; so if the kernel overflows its stack,
    //             it will fault rather than overwrite another CPU's stack.
    //             Known as a "guard page".
    //     Permissions: kernel RW, user NONE
    //
    // LAB 4: Your code here:
    for (int i = 0; i 

Locking

目前我们已经有多个CPU同时在执行内核代码了,我们必须要处理竞争条件。最简单粗暴的办法就是使用"big kernel lock","big kernel lock"是一个全局锁,进程从用户态进入内核后获取该锁,退出内核释放该锁。这样就能保证只有一个CPU在执行内核代码,但缺点也很明显就是一个CPU在执行内核代码时,另一个CPU如果也想进入内核,就会处于等待的状态。
锁的数据结构在kern/spinlock.h中:

struct spinlock {
    unsigned locked;       // Is the lock held?
};

获取锁,释放锁的操作在kern/spinlock.c中:

void
spin_lock(struct spinlock *lk)
{
    // The xchg is atomic.
    // It also serializes, so that reads after acquire are not
    // reordered before it. 
    while (xchg(&lk->locked, 1) != 0)           //原理见:https://pdos.csail.mit.edu/6.828/2018/xv6/book-rev11.pdf  chapter 4
        asm volatile ("pause");
}

void
spin_unlock(struct spinlock *lk)
{
    // The xchg instruction is atomic (i.e. uses the "lock" prefix) with
    // respect to any other instruction which references the same memory.
    // x86 CPUs will not reorder loads/stores across locked instructions
    // (vol 3, 8.2.2). Because xchg() is implemented using asm volatile,
    // gcc will not reorder C statements across the xchg.
    xchg(&lk->locked, 0);
}

这是一种"spin-locks"。对于spin_lock()获取锁的操作,使用xchg这个原子操作,xchg()封装了该指令,交换lk->locked和1的值,并将lk-locked原来的值返回。如果lk-locked原来的值不等于0,说明该锁已经被别的CPU申请了,继续执行while循环吧。对于spin_unlock()释放锁的操作,直接将lk->locked置为0,表明我已经用完了,这个锁可以被别人获取了。
有了获取锁和释放锁的函数,我们看下哪些地方需要加锁,和释放锁:

  1. i386_init()中,BSP唤醒其它AP前需要获取内核锁。
  2. mp_main()中,AP需要在执行sched_yield()前获取内核锁。
  3. trap()中,需要获取内核锁,因为这是用户态进入内核的唯一入口。
  4. env_run()中,需要释放内核锁,因为该函数使用iret指令,从内核返回用户态。

Exercise 5

在前面提的位置添加加锁和释放锁的代码。比较简单就不贴代码了。

Round-Robin Scheduling

现要JOS内核需要让CPU能在进程之间切换。目前先实现一个非抢占式的进程调度,需要当前进程主动让出CPU,其他进程才有机会在当前CPU运行。具体实现如下:

  1. 实现sched_yield(),该函数选择一个新的进程运行,从当前正在运行进程对应的Env结构下一个位置开始循环搜索envs数组,找到第一个cpu_status为ENV_RUNNABLE的Env结构,然后调用env_run()在当前CPU运行这个新的进程。
  2. 我们需要实现一个新的系统调用sys_yield(),使得用户程序能在用户态通知内核,当前进程希望主动让出CPU给另一个进程。

Exercise 6

实现sched_yield()函数。

void
sched_yield(void)
{
    struct Env *idle;

    // Implement simple round-robin scheduling.
    //
    // Search through 'envs' for an ENV_RUNNABLE environment in
    // circular fashion starting just after the env this CPU was
    // last running.  Switch to the first such environment found.
    //
    // If no envs are runnable, but the environment previously
    // running on this CPU is still ENV_RUNNING, it's okay to
    // choose that environment. Make sure curenv is not null before
    // dereferencing it.
    //
    // Never choose an environment that's currently running on
    // another CPU (env_status == ENV_RUNNING). If there are
    // no runnable environments, simply drop through to the code
    // below to halt the cpu.

    // LAB 4: Your code here.
    int start = 0;
    int j;
    if (curenv) {
        start = ENVX(curenv->env_id) + 1;   //从当前Env结构的后一个开始
    }
    for (int i = 0; i env_status == ENV_RUNNING) {      //这是必须的,假设当前只有一个Env,如果没有这个判断,那么这个CPU将会停机
        env_run(curenv);
    }
    // sched_halt never returns
    sched_halt();
}

需要注意:当前CPU在envs数组中找了一圈后没找到合适的Env去执行,需要重新执行之前运行的进程,否则当前CPU就会进入停机状态。

System Calls for Environment Creation

尽管现在内核有能力在多进程之前切换,但是仅限于内核创建的用户进程。目前JOS还没有提供系统调用,使用户进程能创建新的进程。
Unix提供fork()系统调用创建新的进程,fork()拷贝父进程的地址空间和寄存器状态到子进程。父进程从fork()返回的是子进程的进程ID,而子进程从fork()返回的是0。父进程和子进程有独立的地址空间,任何一方修改了内存,不会影响到另一方。
现在需要实现如下系统调用:

  1. sys_exofork():
    创建一个新的进程,用户地址空间没有映射,不能运行,寄存器状态和父环境一致。在父进程中sys_exofork()返回新进程的envid,子进程返回0。
  2. sys_env_set_status:设置一个特定进程的状态为ENV_RUNNABLE或ENV_NOT_RUNNABLE。
  3. sys_page_alloc:为特定进程分配一个物理页,映射指定线性地址va到该物理页。
  4. sys_page_map:拷贝页表,使指定进程共享当前进程相同的映射关系。本质上是修改特定进程的页目录和页表。
  5. sys_page_unmap:解除页映射关系。本质上是修改指定用户环境的页目录和页表。

Exercise 7:

实现上述所有的系统调用:
sys_exofork(void):

static envid_t
sys_exofork(void)
{
    // Create the new environment with env_alloc(), from kern/env.c.
    // It should be left as env_alloc created it, except that
    // status is set to ENV_NOT_RUNNABLE, and the register set is copied
    // from the current environment -- but tweaked so sys_exofork
    // will appear to return 0.

    // LAB 4: Your code here.
    struct Env *e;
    int ret = env_alloc(&e, curenv->env_id);    //分配一个Env结构
    if (ret <0) {
        return ret;
    }
    e->env_tf = curenv->env_tf;         //寄存器状态和当前进程一致
    e->env_status = ENV_NOT_RUNNABLE;   //目前还不能运行
    e->env_tf.tf_regs.reg_eax = 0;      //新的进程从sys_exofork()的返回值应该为0
    return e->env_id;
}

sys_env_set_status(envid_t envid, int status):

static int
sys_env_set_status(envid_t envid, int status)
{
    // Hint: Use the 'envid2env' function from kern/env.c to translate an
    // envid to a struct Env.
    // You should set envid2env's third argument to 1, which will
    // check whether the current environment has permission to set
    // envid's status.
    if (status != ENV_NOT_RUNNABLE && status != ENV_RUNNABLE) return -E_INVAL;

    struct Env *e;
    int ret = envid2env(envid, &e, 1);
    if (ret <0) {
        return ret;
    }
    e->env_status = status;
    return 0;
}

sys_page_alloc(envid_t envid, void *va, int perm):

static int
sys_page_alloc(envid_t envid, void *va, int perm)
{
    // Hint: This function is a wrapper around page_alloc() and
    //   page_insert() from kern/pmap.c.
    //   Most of the new code you write should be to check the
    //   parameters for correctness.
    //   If page_insert() fails, remember to free the page you
    //   allocated!

    // LAB 4: Your code here.
    struct Env *e;                                  //根据envid找出需要操作的Env结构
    int ret = envid2env(envid, &e, 1);
    if (ret) return ret;    //bad_env

    if ((va >= (void*)UTOP) || (ROUNDDOWN(va, PGSIZE) != va)) return -E_INVAL;      //一系列判定
    int flag = PTE_U | PTE_P;
    if ((perm & flag) != flag) return -E_INVAL;

    struct PageInfo *pg = page_alloc(1);            //分配物理页
    if (!pg) return -E_NO_MEM;
    ret = page_insert(e->env_pgdir, pg, va, perm);  //建立映射关系
    if (ret) {
        page_free(pg);
        return ret;
    }

    return 0;
}

sys_page_map(envid_t srcenvid, void srcva,envid_t dstenvid, void dstva, int perm):

static int
sys_page_map(envid_t srcenvid, void *srcva,
         envid_t dstenvid, void *dstva, int perm)
{
    // Hint: This function is a wrapper around page_lookup() and
    //   page_insert() from kern/pmap.c.
    //   Again, most of the new code you write should be to check the
    //   parameters for correctness.
    //   Use the third argument to page_lookup() to
    //   check the current permissions on the page.

    // LAB 4: Your code here.
    struct Env *se, *de;
    int ret = envid2env(srcenvid, &se, 1);
    if (ret) return ret;    //bad_env
    ret = envid2env(dstenvid, &de, 1);
    if (ret) return ret;    //bad_env

    //  -E_INVAL if srcva >= UTOP or srcva is not page-aligned,
    //      or dstva >= UTOP or dstva is not page-aligned.
    if (srcva >= (void*)UTOP || dstva >= (void*)UTOP || 
        ROUNDDOWN(srcva,PGSIZE) != srcva || ROUNDDOWN(dstva,PGSIZE) != dstva) 
        return -E_INVAL;

    //  -E_INVAL is srcva is not mapped in srcenvid's address space.
    pte_t *pte;
    struct PageInfo *pg = page_lookup(se->env_pgdir, srcva, &pte);
    if (!pg) return -E_INVAL;

    //  -E_INVAL if perm is inappropriate (see sys_page_alloc).
    int flag = PTE_U|PTE_P;
    if ((perm & flag) != flag) return -E_INVAL;

    //  -E_INVAL if (perm & PTE_W), but srcva is read-only in srcenvid's
    //      address space.
    if (((*pte&PTE_W) == 0) && (perm&PTE_W)) return -E_INVAL;

    //  -E_NO_MEM if there's no memory to allocate any necessary page tables.
    ret = page_insert(de->env_pgdir, pg, dstva, perm);
    return ret;

}

sys_page_unmap(envid_t envid, void *va):

static int
sys_page_unmap(envid_t envid, void *va)
{
    // Hint: This function is a wrapper around page_remove().

    // LAB 4: Your code here.
    struct Env *env;
    int ret = envid2env(envid, &env, 1);
    if (ret) return ret;

    if ((va >= (void*)UTOP) || (ROUNDDOWN(va, PGSIZE) != va)) return -E_INVAL;
    page_remove(env->env_pgdir, va);
    return 0;
}

Part B: Copy-on-Write Fork

实现fork()有多种方式,一种是将父进程的内容全部拷贝一次,这样的话父进程和子进程就能做到进程隔离,但是这种方式非常耗时,需要在物理内存中复制父进程的内容。
另一种方式叫做写时拷贝的技术(copy on write),父进程将自己的页目录和页表复制给子进程,这样父进程和子进程就能访问相同的内容。只有当一方执行写操作时,才复制这一物理页。这样既能做到地址空间隔离,又能节省了大量的拷贝工作。我画了个图来比较这两种fork方式:非写时拷贝vs写时拷贝fork
想要实现写时拷贝的fork()需要先实现用户级别的缺页中断处理函数。

User-level page fault handling

为了实现用户级别的页错误处理函数,进程需要注册页错误处理函数,需要实现一个sys_env_set_pgfault_upcall()系统调用提供支持。

Exercise 8:

实现sys_env_set_pgfault_upcall(envid_t envid, void *func)系统调用。该系统调用为指定的用户环境设置env_pgfault_upcall。缺页中断发生时,会执行env_pgfault_upcall指定位置的代码。当执行env_pgfault_upcall指定位置的代码时,栈已经转到异常栈,并且压入了UTrapframe结构。

static int
sys_env_set_pgfault_upcall(envid_t envid, void *func)
{
    // LAB 4: Your code here.
    struct Env *env;
    int ret;
    if ((ret = envid2env(envid, &env, 1)) <0) {
        return ret;
    }
    env->env_pgfault_upcall = func;
    return 0;
}

Normal and Exception Stacks in User Environments

当缺页中断发生时,内核会返回用户模式来处理该中断。我们需要一个用户异常栈,来模拟内核异常栈。JOS的用户异常栈被定义在虚拟地址UXSTACKTOP。

Invoking the User Page Fault Handler

缺页中断发生时会进入内核的trap(),然后分配page_fault_handler()来处理缺页中断。在该函数中应该做如下几件事:

  1. 判断curenv->env_pgfault_upcall是否设置,如果没有设置也就没办法修复,直接销毁该进程。
  2. 修改esp,切换到用户异常栈。
  3. 在栈上压入一个UTrapframe结构。
  4. 将eip设置为curenv->env_pgfault_upcall,然后回到用户态执行curenv->env_pgfault_upcall处的代码。

UTrapframe结构如下:

                    <-- UXSTACKTOP
trap-time esp
trap-time eflags
trap-time eip
trap-time eax       start of struct PushRegs
trap-time ecx
trap-time edx
trap-time ebx
trap-time esp
trap-time ebp
trap-time esi
trap-time edi       end of struct PushRegs
tf_err (error code)
fault_va            <-- %esp when handler is run

Exercise 9:

按照上面的描述实现page_fault_handler()。

void
page_fault_handler(struct Trapframe *tf)
{
    uint32_t fault_va;

    // Read processor's CR2 register to find the faulting address
    fault_va = rcr2();

    // Handle kernel-mode page faults.

    // LAB 3: Your code here.
    if ((tf->tf_cs & 3) == 0)
        panic("page_fault_handler():page fault in kernel mode!\n");

    // LAB 4: Your code here.
    if (curenv->env_pgfault_upcall) {
        uintptr_t stacktop = UXSTACKTOP;
        if (UXSTACKTOP - PGSIZE tf_esp && tf->tf_esp tf_esp;
        }
        uint32_t size = sizeof(struct UTrapframe) + sizeof(uint32_t);
        user_mem_assert(curenv, (void *)stacktop - size, size, PTE_U | PTE_W);
        struct UTrapframe *utr = (struct UTrapframe *)(stacktop - size);
        utr->utf_fault_va = fault_va;
        utr->utf_err = tf->tf_err;
        utr->utf_regs = tf->tf_regs;
        utr->utf_eip = tf->tf_eip;
        utr->utf_eflags = tf->tf_eflags;
        utr->utf_esp = tf->tf_esp;              //UXSTACKTOP栈上需要保存发生缺页异常时的%esp和%eip

        curenv->env_tf.tf_eip = (uintptr_t)curenv->env_pgfault_upcall;
        curenv->env_tf.tf_esp = (uintptr_t)utr;
        env_run(curenv);            //重新进入用户态
    }

    // Destroy the environment that caused the fault.
    cprintf("[%08x] user fault va %08x ip %08x\n",
        curenv->env_id, fault_va, tf->tf_eip);
    print_trapframe(tf);
    env_destroy(curenv);
}

User-mode Page Fault Entrypoint

现在需要实现lib/pfentry.S中的_pgfault_upcall函数,该函数会作为系统调用sys_env_set_pgfault_upcall()的参数。

Exercise 10:

实现lib/pfentry.S中的_pgfault_upcall函数。

_pgfault_upcall:
    // Call the C page fault handler.
    pushl %esp          // function argument: pointer to UTF
    movl _pgfault_handler, %eax
    call *%eax              //调用页处理函数
    addl $4, %esp           // pop function argument
    
    // LAB 4: Your code here.
    // Restore the trap-time registers.  After you do this, you
    // can no longer modify any general-purpose registers.
    // LAB 4: Your code here.
    addl $8, %esp           //跳过utf_fault_va和utf_err
    movl 40(%esp), %eax     //保存中断发生时的esp到eax
    movl 32(%esp), %ecx     //保存终端发生时的eip到ecx
    movl %ecx, -4(%eax)     //将中断发生时的esp值亚入到到原来的栈中
    popal
    addl $4, %esp           //跳过eip

    // Restore eflags from the stack.  After you do this, you can
    // no longer use arithmetic operations or anything else that
    // modifies eflags.
    // LAB 4: Your code here.
    popfl
    // Switch back to the adjusted trap-time stack.
    // LAB 4: Your code here.
    popl %esp
    // Return to re-execute the instruction that faulted.
    // LAB 4: Your code here.
    lea -4(%esp), %esp      //因为之前压入了eip的值但是没有减esp的值,所以现在需要将esp寄存器中的值减4
    ret

Exercise 11:

完成lib/pgfault.c中的set_pgfault_handler()。

void
set_pgfault_handler(void (*handler)(struct UTrapframe *utf))
{
    int r;

    if (_pgfault_handler == 0) {
        // First time through!
        // LAB 4: Your code here.
        int r = sys_page_alloc(0, (void *)(UXSTACKTOP-PGSIZE), PTE_W | PTE_U | PTE_P);  //为当前进程分配异常栈
        if (r <0) {
            panic("set_pgfault_handler:sys_page_alloc failed");;
        }
        sys_env_set_pgfault_upcall(0, _pgfault_upcall);     //系统调用,设置进程的env_pgfault_upcall属性
    }

    // Save handler pointer for assembly to call.
    _pgfault_handler = handler;
}

踩坑:

user_mem_check()中的cprintf()需要去掉,不然faultregs这个测试可能会过不了,坑啊~

缺页处理小结:

  1. 引发缺页中断,执行内核函数链:trap()->trap_dispatch()->page_fault_handler()
  2. page_fault_handler()切换栈到用户异常栈,并且压入UTrapframe结构,然后调用curenv->env_pgfault_upcall(系统调用sys_env_set_pgfault_upcall()设置)处代码。又重新回到用户态。
  3. 进入_pgfault_upcall处的代码执行,调用_pgfault_handler(库函数set_pgfault_handler()设置)处的代码,最后返回到缺页中断发生时的那条指令重新执行。
    JOS缺页异常处理逻辑

Implementing Copy-on-Write Fork

到目前已经可以实现用户级别的写时拷贝fork函数了。fork流程如下:

  1. 使用set_pgfault_handler()设置缺页处理函数。
  2. 调用sys_exofork()系统调用,在内核中创建一个Env结构,复制当前用户环境寄存器状态,UTOP以下的页目录还没有建立,新创建的进程还不能直接运行。
  3. 拷贝父进程的页表和页目录到子进程。对于可写的页,将对应的PTE的PTE_COW位设置为1。
  4. 为子进程设置_pgfault_upcall。
  5. 将子进程状态设置为ENV_RUNNABLE。

缺页处理函数pgfault()流程如下:

  1. 如果发现错误是因为写造成的(错误码是FEC_WR)并且该页的PTE_COW是1,则进行执行第2步,否则直接panic。
  2. 分配一个新的物理页,并将之前出现错误的页的内容拷贝到新的物理页,然后重新映射线性地址到新的物理页。

Exercise 12:

实现lib/fork.c中的fork, duppage and pgfault。

static void
pgfault(struct UTrapframe *utf)
{
    void *addr = (void *) utf->utf_fault_va;
    uint32_t err = utf->utf_err;
    int r;

    // Check that the faulting access was (1) a write, and (2) to a
    // copy-on-write page.  If not, panic.
    // Hint:
    //   Use the read-only page table mappings at uvpt
    //   (see ).

    // LAB 4: Your code here.
    if (!((err & FEC_WR) && (uvpt[PGNUM(addr)] & PTE_COW))) { //只有因为写操作写时拷贝的地址这中情况,才可以抢救。否则一律panic
        panic("pgfault():not cow");
    }


    // Allocate a new page, map it at a temporary location (PFTEMP),
    // copy the data from the old page to the new page, then move the new
    // page to the old page's address.
    // Hint:
    //   You should make three system calls.

    // LAB 4: Your code here.
    addr = ROUNDDOWN(addr, PGSIZE);
    if ((r = sys_page_map(0, addr, 0, PFTEMP, PTE_U|PTE_P)) <0)        //将当前进程PFTEMP也映射到当前进程addr指向的物理页
        panic("sys_page_map: %e", r);
    if ((r = sys_page_alloc(0, addr, PTE_P|PTE_U|PTE_W)) <0)   //令当前进程addr指向新分配的物理页
        panic("sys_page_alloc: %e", r);
    memmove(addr, PFTEMP, PGSIZE);                              //将PFTEMP指向的物理页拷贝到addr指向的物理页
    if ((r = sys_page_unmap(0, PFTEMP)) <0)                    //解除当前进程PFTEMP映射
        panic("sys_page_unmap: %e", r);
}

static int
duppage(envid_t envid, unsigned pn)
{
    int r;

    // LAB 4: Your code here.
    void *addr = (void*) (pn * PGSIZE);
    if (uvpt[pn] & PTE_SHARE) {
        sys_page_map(0, addr, envid, addr, PTE_SYSCALL);        //对于表示为PTE_SHARE的页,拷贝映射关系,并且两个进程都有读写权限
    } else if ((uvpt[pn] & PTE_W) || (uvpt[pn] & PTE_COW)) { //对于UTOP以下的可写的或者写时拷贝的页,拷贝映射关系的同时,需要同时标记当前进程和子进程的页表项为PTE_COW
        if ((r = sys_page_map(0, addr, envid, addr, PTE_COW|PTE_U|PTE_P)) <0)
            panic("sys_page_map:%e", r);
        if ((r = sys_page_map(0, addr, 0, addr, PTE_COW|PTE_U|PTE_P)) <0)
            panic("sys_page_map:%e", r);
    } else {
        sys_page_map(0, addr, envid, addr, PTE_U|PTE_P);    //对于只读的页,只需要拷贝映射关系即可
    }
    return 0;
}

envid_t
fork(void)
{
    // LAB 4: Your code here.
    extern void _pgfault_upcall(void);
    set_pgfault_handler(pgfault);   //设置缺页处理函数
    envid_t envid = sys_exofork();  //系统调用,只是简单创建一个Env结构,复制当前用户环境寄存器状态,UTOP以下的页目录还没有建立
    if (envid == 0) {               //子进程将走这个逻辑
        thisenv = &envs[ENVX(sys_getenvid())];
        return 0;
    }
    if (envid <0) {
        panic("sys_exofork: %e", envid);
    }

    uint32_t addr;
    for (addr = 0; addr 

Part C: Preemptive Multitasking and Inter-Process communication (IPC)

Handling Clock Interrupts

目前程序一旦进入用户模式,除非发生中断,否则CPU永远不会再执行内核代码。我们需要开启时钟中断,强迫进入内核,然后内核就可以切换另一个进程执行。
lapic_init()和pic_init()设置时钟中断控制器产生中断。需要写代码来处理中断。

Exercise 14:

修改trap_dispatch(),使时钟中断发生时,切换到另一个进程执行。

    if (tf->tf_trapno == IRQ_OFFSET + IRQ_TIMER) {
        lapic_eoi();
        sched_yield();
        return;
    }

Inter-Process communication (IPC)

到目前为止,我们都在做隔离的事情。操作系统另一个重要的内容是允许程序相互交流。

IPC in JOS

我们将要实现sys_ipc_recv()和sys_ipc_try_send()这两个系统调用,来实现进程间通信。并且实现两个包装函数ipc_recv()和 ipc_send()。
JOS中进程间通信的“消息”包含两部分:

  1. 一个32位的值。
  2. 可选的页映射关系。

Sending and Receiving Messages

sys_ipc_recv()和sys_ipc_try_send()是这么协作的:

  1. 当某个进程调用sys_ipc_recv()后,该进程会阻塞(状态被置为ENV_NOT_RUNNABLE),直到另一个进程向它发送“消息”。当进程调用sys_ipc_recv()传入dstva参数时,表明当前进程准备接收页映射。
  2. 进程可以调用sys_ipc_try_send()向指定的进程发送“消息”,如果目标进程已经调用了sys_ipc_recv(),那么就发送数据,然后返回0,否则返回-E_IPC_NOT_RECV,表示目标进程不希望接受数据。当传入srcva参数时,表明发送进程希望和接收进程共享srcva对应的物理页。如果发送成功了发送进程的srcva和接收进程的dstva将指向相同的物理页。

Exercise 15

实现sys_ipc_recv()和sys_ipc_try_send()。包装函数ipc_recv()和 ipc_send()。

static int
sys_ipc_try_send(envid_t envid, uint32_t value, void *srcva, unsigned perm)
{
    // LAB 4: Your code here.
    struct Env *rcvenv;
    int ret = envid2env(envid, &rcvenv, 0);
    if (ret) return ret;
    if (!rcvenv->env_ipc_recving) return -E_IPC_NOT_RECV;

    if (srcva <(void*)UTOP) {
        pte_t *pte;
        struct PageInfo *pg = page_lookup(curenv->env_pgdir, srcva, &pte);

        //按照注释的顺序进行判定
        if (debug) {
            cprintf("sys_ipc_try_send():srcva=%08x\n", (uintptr_t)srcva);
        }
        if (srcva != ROUNDDOWN(srcva, PGSIZE)) {        //srcva没有页对齐
            if (debug) {
                cprintf("sys_ipc_try_send():srcva is not page-alligned\n");
            }
            return -E_INVAL;
        }
        if ((*pte & perm & 7) != (perm & 7)) {  //perm应该是*pte的子集
            if (debug) {
                cprintf("sys_ipc_try_send():perm is wrong\n");
            }
            return -E_INVAL;
        }
        if (!pg) {          //srcva还没有映射到物理页
            if (debug) {
                cprintf("sys_ipc_try_send():srcva is not maped\n");
            }
            return -E_INVAL;
        }
        if ((perm & PTE_W) && !(*pte & PTE_W)) {    //写权限
            if (debug) {
                cprintf("sys_ipc_try_send():*pte do not have PTE_W, but perm have\n");
            }
            return -E_INVAL;
        }       
        
        if (rcvenv->env_ipc_dstva <(void*)UTOP) {
            ret = page_insert(rcvenv->env_pgdir, pg, rcvenv->env_ipc_dstva, perm); //共享相同的映射关系
            if (ret) return ret;
            rcvenv->env_ipc_perm = perm;
        }
    }
    rcvenv->env_ipc_recving = 0;                    //标记接受进程可再次接受信息
    rcvenv->env_ipc_from = curenv->env_id;
    rcvenv->env_ipc_value = value; 
    rcvenv->env_status = ENV_RUNNABLE;
    rcvenv->env_tf.tf_regs.reg_eax = 0;
    return 0;
}

static int
sys_ipc_recv(void *dstva)
{
    // LAB 4: Your code here.
    if (dstva <(void *)UTOP && dstva != ROUNDDOWN(dstva, PGSIZE)) {
        return -E_INVAL;
    }
    curenv->env_ipc_recving = 1;
    curenv->env_status = ENV_NOT_RUNNABLE;
    curenv->env_ipc_dstva = dstva;
    sys_yield();
    return 0;
}
int32_t
ipc_recv(envid_t *from_env_store, void *pg, int *perm_store)
{
    // LAB 4: Your code here.
    if (pg == NULL) {
        pg = (void *)-1;
    }
    int r = sys_ipc_recv(pg);
    if (r <0) {                //系统调用失败
        if (from_env_store) *from_env_store = 0;
        if (perm_store) *perm_store = 0;
        return r;
    }
    if (from_env_store)
        *from_env_store = thisenv->env_ipc_from;
    if (perm_store)
        *perm_store = thisenv->env_ipc_perm;
    return thisenv->env_ipc_value;
}

void
ipc_send(envid_t to_env, uint32_t val, void *pg, int perm)
{
    // LAB 4: Your code here.
    if (pg == NULL) {
        pg = (void *)-1;
    }
    int r;
    while(1) {
        r = sys_ipc_try_send(to_env, val, pg, perm);
        if (r == 0) {       //发送成功
            return;
        } else if (r == -E_IPC_NOT_RECV) {  //接收进程没有准备好
            sys_yield();
        } else {            //其它错误
            panic("ipc_send():%e", r);
        }
    }
}

IPC原理可以总结为下图:
JOS IPC原理

总结

本lab还是围绕进程这个概念来展开的。主要介绍了四部分:

  1. 支持多处理器。现代处理器一般都是多核的,这样每个CPU能同时运行不同进程,实现并行。需要用锁解决多CPU的竞争。 CPU和进程在内核中的数据结构如下图所示:Env和CpuInfo关系
  2. 实现进程调度算法。 一种是非抢占式式的,另一种是抢占式的,借助时钟中断实现。
  3. 实现写时拷贝fork(进程创建)。 原理总结如下:非写时拷贝vs写时拷贝fork
  4. 实现进程间通信。原理总结如下:JOS IPC原理

具体代码在:https://github.com/gatsbyd/mit_6.828_jos

如有错误,欢迎指正(*^_^*):
15313676365


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