xv6项目开源—05 | 星空有大海

xv6项目开源—05.md

理论：

1、设备驱动程序在两种环境中执行代码：上半部分在进程的内核线程中运行，下半部分在中断时执行。上半部分通过系统调用进行调用，如希望设备执行I/O操作的read和write。这段代码可能会要求硬件执行操作（例如，要求磁盘读取块）；然后代码等待操作完成。最终设备完成操作并引发中断。驱动程序的中断处理程序充当下半部分，计算出已经完成的操作，如果合适的话唤醒等待中的进程，并告诉硬件开始执行下一个正在等待的操作。

2、驱动程序管理的UART硬件是由QEMU仿真的16550芯片。在真正的计算机上，16550将管理连接到终端或其他计算机的RS232串行链路。运行QEMU时，它连接到键盘和显示器。

3、xv6的shell通过*init.c* (*user/init.c*:19)中打开的文件描述符从控制台读取输入。对read的调用实现了从内核流向consoleread (*kernel/console.c*:82)的数据通路。consoleread等待输入到达（通过中断）并在cons.buf中缓冲，将输入复制到用户空间，然后（在整行到达后）返回给用户进程。如果用户还没有键入整行，任何读取进程都将在sleep系统调用中等待（kernel/console.c:98）

4、计时器中断可能发生在用户或内核代码正在执行的任何时候；内核无法在临界区操作期间禁用计时器中断。因此，计时器中断处理程序必须保证不干扰中断的内核代码。基本策略是处理程序要求RISC-V发出“软件中断”并立即返回。RISC-V用普通陷阱机制将软件中断传递给内核，并允许内核禁用它们。处理由定时器中断产生的软件中断的代码可以在devintr (*kernel/trap.c*:204)中看到

5、UART驱动程序首先将传入的数据复制到内核中的缓冲区，然后复制到用户空间。这在低数据速率下是可行的，但是这种双重复制会显著降低快速生成或消耗数据的设备的性能。一些操作系统能够直接在用户空间缓冲区和设备硬件之间移动数据，通常带有DMA。

6、延迟分配用户空间堆内存（lazy allocation of user-space heap memory）

实践：

1、Lazy allocation

修改***trap.c***中的代码以响应来自用户空间的页面错误，方法是新分配一个物理页面并映射到发生错误的地址，然后返回到用户空间，让进程继续执行。您应该在生成“usertrap(): …”消息的printf调用之前添加代码。你可以修改任何其他xv6内核代码，以使echo hi正常工作。

这个实验很简单，就仅仅改动sys_sbrk()函数即可，将实际分配内存的函数删除，而仅仅改变进程的sz属性

uint64
sys_sbrk(void)
{
  int addr;
  int n;

  if(argint(0, &n) < 0)
    return -1;

  addr = myproc()->sz;
  // lazy allocation
  myproc()->sz += n;

  return addr;
}

(1). 修改usertrap()(*kernel/trap.c*)函数，使用r_scause()判断是否为页面错误，在页面错误处理的过程中，先判断发生错误的虚拟地址（r_stval()读取）是否位于栈空间之上，进程大小（虚拟地址从0开始，进程大小表征了进程的最高虚拟地址）之下，然后分配物理内存并添加映射

  uint64 cause = r_scause();
  if(cause == 8) {
    ...
  } else if((which_dev = devintr()) != 0) {
    // ok
  } else if(cause == 13 || cause == 15) {
    // 处理页面错误
    uint64 fault_va = r_stval();  // 产生页面错误的虚拟地址
    char* pa;                     // 分配的物理地址
    if(PGROUNDUP(p->trapframe->sp) - 1 < fault_va && fault_va < p->sz &&
      (pa = kalloc()) != 0) {
        memset(pa, 0, PGSIZE);
        if(mappages(p->pagetable, PGROUNDDOWN(fault_va), PGSIZE, (uint64)pa, PTE_R | PTE_W | PTE_X | PTE_U) != 0) {
          kfree(pa);
          p->killed = 1;
        }
    } else {
      // printf("usertrap(): out of memory!\n");
      p->killed = 1;
    }
  } else {
    ...
  }

(2). 修改uvmunmap()(*kernel/vm.c*)，之所以修改这部分代码是因为lazy allocation中首先并未实际分配内存，所以当解除映射关系的时候对于这部分内存要略过，而不是使系统崩溃，这部分在课程视频中已经解答。

void
uvmunmap(pagetable_t pagetable, uint64 va, uint64 npages, int do_free)
{
  ...

  for(a = va; a < va + npages*PGSIZE; a += PGSIZE){
    if((pte = walk(pagetable, a, 0)) == 0)
      panic("uvmunmap: walk");
    if((*pte & PTE_V) == 0)
      continue;

    ...
  }
}

2、Lazytests and Usertests

我们为您提供了lazytests，这是一个xv6用户程序，它测试一些可能会给您的惰性内存分配器带来压力的特定情况。修改内核代码，使所有lazytests和usertests都通过。

处理sbrk()参数为负的情况。
如果某个进程在高于sbrk()分配的任何虚拟内存地址上出现页错误，则终止该进程。
在fork()中正确处理父到子内存拷贝。
处理这种情形：进程从sbrk()向系统调用（如read或write）传递有效地址，但尚未分配该地址的内存。
正确处理内存不足：如果在页面错误处理程序中执行kalloc()失败，则终止当前进程。
处理用户栈下面的无效页面上发生的错误。

(1). 处理sbrk()参数为负数的情况，参考之前sbrk()调用的growproc()程序，如果为负数，就调用uvmdealloc()函数，但需要限制缩减后的内存空间不能小于0

uint64
sys_sbrk(void)
{
  int addr;
  int n;

  if(argint(0, &n) < 0)
    return -1;

  struct proc* p = myproc();
  addr = p->sz;
  uint64 sz = p->sz;

  if(n > 0) {
    // lazy allocation
    p->sz += n;
  } else if(sz + n > 0) {
    sz = uvmdealloc(p->pagetable, sz, sz + n);
    p->sz = sz;
  } else {
    return -1;
  }
  return addr;
}

(2). 正确处理fork的内存拷贝：fork调用了uvmcopy进行内存拷贝，所以修改uvmcopy如下

int
uvmcopy(pagetable_t old, pagetable_t new, uint64 sz)
{
  ...
  for(i = 0; i < sz; i += PGSIZE){
    if((pte = walk(old, i, 0)) == 0)
      continue;
    if((*pte & PTE_V) == 0)
      continue;
    ...
  }
  ...
}

(3). 还需要继续修改uvmunmap，否则会运行出错

void
uvmunmap(pagetable_t pagetable, uint64 va, uint64 npages, int do_free)
{
  ...

  for(a = va; a < va + npages*PGSIZE; a += PGSIZE){
    if((pte = walk(pagetable, a, 0)) == 0)
      continue;
    if((*pte & PTE_V) == 0)
      continue;

    ...
  }
}

(4). 处理通过sbrk申请内存后还未实际分配就传给系统调用使用的情况，系统调用的处理会陷入内核，scause寄存器存储的值是8，如果此时传入的地址还未实际分配，就不能走到上文usertrap中判断scause是13或15后进行内存分配的代码，syscall执行就会失败

系统调用流程：
- 陷入内核**>syscall()==>**回到用户空间
页面错误流程：
- 陷入内核**>分配内存==>**回到用户空间

因此就需要找到在何时系统调用会使用这些地址，将地址传入系统调用后，会通过argaddr函数(*kernel/syscall.c*)从寄存器中读取，因此在这里添加物理内存分配的代码

int
argaddr(int n, uint64 *ip)
{
  *ip = argraw(n);
  struct proc* p = myproc();

  // 处理向系统调用传入lazy allocation地址的情况
  if(walkaddr(p->pagetable, *ip) == 0) {
    if(PGROUNDUP(p->trapframe->sp) - 1 < *ip && *ip < p->sz) {
      char* pa = kalloc();
      if(pa == 0)
        return -1;
      memset(pa, 0, PGSIZE);

      if(mappages(p->pagetable, PGROUNDDOWN(*ip), PGSIZE, (uint64)pa, PTE_R | PTE_W | PTE_X | PTE_U) != 0) {
        kfree(pa);
        return -1;
      }
    } else {
      return -1;
    }
  }

  return 0;
}