(undone) MIT6.S081 2023 学习笔记 (Day4: LAB3 page tables)

LAB 网页：https://pdos.csail.mit.edu/6.S081/2023/labs/pgtbl.html

任务1：Speed up system calls

根据网页，操作系统可以通过把部分数据放入用户空间的页表，来使得部分系统调用不用进入内核空间，从而提高速度。我们的第一个任务是：对 getpid() 系统调用实现这个优化（通过对页表插入映射的方式）。

以下是作业要求：
1.当一个进程被创建的时候，可以在 USYSCALL 位置插入一个只读的页。在页的开头，存入一个 usyscall 结构体，并且使用当前进程的 pid 初始化它。在实验中，ugetpid() 已经在用户空间中被实现，它会使用 USYSCALL 的映射。只要 ugetpid() 能通过测试，这个 lab 就满分。

暗示：
1.Choose permission bits that allow userspace to only read the page.
2.There are a few things that need to be done over the lifecycle of a new page. For inspiration, understand the trapframe handling in kernel/proc.c.

思考题：
Which other xv6 system call(s) could be made faster using this shared page? Explain how.

OK，根据作业要求，我们先来看看这个 ugetpid() 的实现，相关的测试代码位于 user/pgtbltest.c

void
err(char *why)
{printf("pgtbltest: %s failed: %s, pid=%d\n", testname, why, getpid());exit(1);
}void
ugetpid_test()
{int i;printf("ugetpid_test starting\n");testname = "ugetpid_test";// 执行 64 次 fork，判断 getpid() 是否等于 ugetpid()for (i = 0; i < 64; i++) {int ret = fork();if (ret != 0) {wait(&ret);if (ret != 0)exit(1);continue;}if (getpid() != ugetpid())err("missmatched PID");exit(0);}printf("ugetpid_test: OK\n");
}int
main(int argc, char *argv[])
{ugetpid_test();pgaccess_test();printf("pgtbltest: all tests succeeded\n");exit(0);
}

从代码来看，实际上就是重复调用 fork()，并且在子进程中调用 getpid() 和 ugetpid()，判断两者是否相等。

直接运行 make qemu，发现能执行 pgtbltest，阅读 Makefile，发现 pgtbltest 默认就被作为用户程序编译进磁盘。但是 pgtbltest 虽能执行，却会报错，报错如下：
在这里插入图片描述

根据手册，scause = 0xd 是 “Load page fault”，缺页错误。说明用户程序访问了一块自己并不拥有的内存。

我们仔细读读 ugetpid() 的实现，如下：

// User memory layout.
// Address zero first:
//   text
//   original data and bss
//   fixed-size stack
//   expandable heap
//   ...
//   USYSCALL (shared with kernel)
//   TRAPFRAME (p->trapframe, used by the trampoline)
//   TRAMPOLINE (the same page as in the kernel)#define TRAPFRAME (TRAMPOLINE - PGSIZE)
#define USYSCALL (TRAPFRAME - PGSIZE)struct usyscall {int pid;  // Process ID
};int
ugetpid(void)
{struct usyscall *u = (struct usyscall *)USYSCALL;return u->pid;
}

结构体 usyscall 其实就是一个 pid 整型，USYSCALL 是一个地址。从代码来看，ugetpid() 其实就是访问了一块虚拟内存。

现在思路大致明了了：在内核里，分配进程的时候，把该进程 pid 映射到该进程的页表上。

先来看分配进程的函数：kernel/proc.c : allocproc()

// Look in the process table for an UNUSED proc.
// If found, initialize state required to run in the kernel,
// and return with p->lock held.
// If there are no free procs, or a memory allocation fails, return 0.
static struct proc*
allocproc(void)
{struct proc *p;for(p = proc; p < &proc[NPROC]; p++) {acquire(&p->lock);if(p->state == UNUSED) {goto found;} else {release(&p->lock);}}return 0;found:p->pid = allocpid();p->state = USED;// Allocate a trapframe page.if((p->trapframe = (struct trapframe *)kalloc()) == 0){freeproc(p);release(&p->lock);return 0;}// An empty user page table.p->pagetable = proc_pagetable(p);if(p->pagetable == 0){freeproc(p);release(&p->lock);return 0;}// Set up new context to start executing at forkret,// which returns to user space.memset(&p->context, 0, sizeof(p->context));p->context.ra = (uint64)forkret;p->context.sp = p->kstack + PGSIZE;return p;
}

可以看到，函数里分配了 pid，以及页表。我们现在进入分配页表的 proc_pagetable() 函数看看

// Create a user page table for a given process, with no user memory,
// but with trampoline and trapframe pages.
pagetable_t
proc_pagetable(struct proc *p)
{pagetable_t pagetable;// An empty page table.pagetable = uvmcreate();if(pagetable == 0)return 0;// map the trampoline code (for system call return)// at the highest user virtual address.// only the supervisor uses it, on the way// to/from user space, so not PTE_U.if(mappages(pagetable, TRAMPOLINE, PGSIZE,(uint64)trampoline, PTE_R | PTE_X) < 0){uvmfree(pagetable, 0);return 0;}// map the trapframe page just below the trampoline page, for// trampoline.S.if(mappages(pagetable, TRAPFRAME, PGSIZE,(uint64)(p->trapframe), PTE_R | PTE_W) < 0){uvmunmap(pagetable, TRAMPOLINE, 1, 0);uvmfree(pagetable, 0);return 0;}return pagetable;
}

可以看到这里使用 mappages 来映射用户页表。我们在这里加上 pid 的映射应该就行了。
我们依葫芦画瓢加上对 pid 的映射，如下：

#ifdef LAB_PGTBL// 把 USYSCALL 映射到用户页表，加速部分系统调用// 若出错，释放 TRAMPOLINE 和 TRAMPFRAME，再释放页表if(mappages(pagetable, USYSCALL, PGSIZE,(uint64)(&(p->pid)), PTE_R) < 0){uvmunmap(pagetable, TRAMPOLINE, 1, 0);uvmunmap(pagetable, TRAPFRAME, 1, 1);uvmfree(pagetable, 0);return 0;}
#endif