6.s081 Lab1 System Calls

本 lab 要求我们进行系统调用代码的编写。

Preparation

切换到对应分支

$ git fetch
$ git checkout syscall
$ make clean

可以看到 Makefile 里内容都重置了，且测试脚本名也变成了 grade-lab-syscall

在做实验之前，可以先了解一下整个系统调用流程。

Task1: System call tracing

实现系统调用

该任务要求我们实现 trace 命令，用于追踪特定命令的相应系统调用，并为其在 kernel/ 文件夹下实现相应的系统调用。lab 已经为我们准备好了 user/trace.c。根据上面知识，我们修改完 user/user.h，user/usys.pl，Makefile，kernel/syscall.h，kernel/syscall.c，就可以正式编译了。

user/user.h: int trace(int); user/usys.pl: entry("trace"); Makefile: $U/_trace
kernel/syscall.h: #define SYS_trace 22 kernel/syscall.c: [SYS_trace] sys_trace

但编译还不能通过，是因为我们还没有实现 sys_trace()。该函数在 kernel/sys_proc.c 中定义，作用就是令当前进程记住我们传入的参数 trace mask，这里需要在 kernel/proc.h 中为 proc 结构体新增一个变量 int trae_mask，然后在 sys_trace() 中利用 argint() 获取参数并赋值即可，函数如下：

kernel/sysproc.c
uint64
sys_trace(void)
{
  if (argint(0, &myproc()->trace_mask) < 0) {
    return -1;
  }
  return 0;
}

因为 exec 只会改变执行的代码段，进程还是同一个，trace_mask 变量并不会被修改，所以无需担心。

为了令 trace 在 fork 场景下也支持追踪功能，需要在 fork() 系统调用中追加子进程拷贝父进程的 trace_mask，实现略。

打印信息

现在我们已经让当前进程记住了 trace mask，接下来需要在执行命令时根据 mask 打印信息，格式为：

$ <pid>: syscall <syscall name> -> <return value>

我们需要每遇到一个被跟踪的系统调用都打印一遍信息，这就要在 kernel/syscall.c 中的 syscall() 函数中实现了，判断条件就是 (trace_mask >> num) & 1 非零.

kernel/syscall.c
void
syscall(void)
{
  int num;
  struct proc *p = myproc();

  num = p->trapframe->a7;
  if(num > 0 && num < NELEM(syscalls) && syscalls[num]) {
    p->trapframe->a0 = syscalls[num](); // 系统调用返回值
    if ((p->trace_mask >> num) & 1) {
      printf("%d: syscall %s -> %d\n", p->pid, syscall_name[num], p->trapframe->a0);
    }
  }
  ...
}

Task2: Sysinfo

该任务要求我们实现 sysinfo(sysinfo*) 函数，并为传入的结构体填充字段，分别为：

1. freemem: 空闲内存字节数；
2. nproc: 当前进程数；

由于这也是一个新建的系统调用函数，所以我们需要像上一个任务一样修改以下文件 user/user.h，user/usys.pl，Makefile，kernel/syscall.h，kernel/syscall.c，并且在 kernel/sysproc.c 中添加并实现 sys_sysinfo() 函数。

user/user.h: int sysinfo(struct sysinfo *); user/usys.pl: entry("sysinfo"); Makefile: $U/_sysinfo
kernel/syscall.h: #define SYS_sysinfo 23 kernel/syscall.c: [SYS_sysinfo] sys_sysinfo

然而，lab 并没有为我们提供现成的「获取空闲字节数」与「获取当前进程数」的 API，需要我们自己实现。这两个 API 可以分别在 kernel/kalloc.c 与 kernel/proc.c 中实现（需要在 kernel/defs.h 中添加声明）。

获取空闲内存字节数

kernel/kalloc.c 中有一个名为 kmem 的数据结构，它维护了一个空闲链表。

事实上，所有内存中未分配的页面都有一个 header，大小为 64 位（一个指针那么大），指向（逻辑上的）下一个未分配的页面，这个指针在软件层面用数据结构 struct run 表示。一旦有一个空闲页面 page 被分配，那么（逻辑上的）上一个页面 prev 的 run 就会指向 page 的（逻辑上的）下一个空闲页面 next；而有个物理页被 free 了，就让它成为空闲链表的表头。

这可以在 kernel/kalloc.c 中的 kalloc() 与 kfree() 中得知。

那空闲内存的字节数就很好计算了，就是**空闲页面数*页面大小**嘛。写成代码就是

kernel/kalloc.c
int
kfreemem(void)
{
  int npage = 0;
  acquire(&kmem.lock);
  struct run *r = kmem.freelist;
  while (r) {
    r = r->next;
    npage++;
  }
  release(&kmem.lock);
  return npage * PGSIZE;
}

获取当前进程数

kernel/proc.c 中为我们定义了一个名为 proc 的进程表（对的，和结构体 struct proc 同名），我们只需要遍历该表，检查进程状态即可。

kernel/proc.c
int
nproc(void)
{
  int cnt = 0;
  for (int i = 0; i < NPROC; i++) {
    if (proc[i].state != UNUSED) {
      cnt++;
    }
  }
  return cnt;
}

实现 sys_sysinfo()

接下来就是实现系统函数了。由于我们在用户层调用 sysinfo() 时传入的是一个指针，所以在读取该参数时不能用 argint()，而是 argaddr()。

值得注意的是，读取到的参数是一个用户态的虚拟地址，如果我们创建一个 struct sysinfo* 变量用于接收指针，然后再赋值，像下面这样：

kernel/sysproc.c
uint64 va;
argaddr(0, &va);
struct sysinfo* info = (struct sysinfo*)va;
info->freemem = kfreemem();
info->nproc = nproc();

那肯定是不行的。对于内核而言，如果直接访问地址，那访问的就是物理地址，可我们得到的却是一个用户态下的虚拟地址，这两者是完全不能等同的。要想访问到正确的物理地址，就需要通过页表进行地址转换。然而 lab 已经为我们提供了另一个实现方法，kernel/vm.c 中的 copyout() 函数，用于拷贝一段内存到虚拟地址。这正好是我们需要的，要用它，我们只需要在内核栈中新建一个 struct sysinfo info 变量，赋值后调用 copyout() 拷贝即可。完整的 sys_sysinfo() 如下：

kernel/sysproc.c
uint64
sys_sysinfo(void)
{
  uint64 va;
  if (argaddr(0, &va) < 0) {
    return -1;
  }

  // info is in kernel address space
  struct sysinfo info;
  info.freemem = kfreemem();
  info.nproc = nproc();

  // copy info to *va
  return copyout(myproc()->pagetable, va, (char*)&info, sizeof(info));
}

测试结果

$ make grade
...
== Test trace 32 grep ==
$ make qemu-gdb
trace 32 grep: OK (2.6s)
== Test trace all grep ==
$ make qemu-gdb
trace all grep: OK (1.0s)
== Test trace nothing ==
$ make qemu-gdb
trace nothing: OK (0.9s)
== Test trace children ==
$ make qemu-gdb
trace children: OK (13.6s)
== Test sysinfotest ==
$ make qemu-gdb
sysinfotest: OK (1.7s)
== Test time ==
time: OK
Score: 35/35

最后的工作

1. git commit -am "" 将所有修改提交到本地;
2. 执行 make handin。由于 lab0 保存了 APIKey，故直接成功提交；

可选的挑战再说吧，没有什么想做的欲望。