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

1$ git fetch
2$ git checkout syscall
3$ 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：

1uint64
2sys_trace(void)
3{
4  if (argint(0, &myproc()->trace_mask) < 0) {
5    return -1;
6  }
7  return 0;
8}

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：

1$ <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.

 1void
 2syscall(void)
 3{
 4  int num;
 5  struct proc *p = myproc();
 6
 7  num = p->trapframe->a7;
 8  if(num > 0 && num < NELEM(syscalls) && syscalls[num]) {
 9    p->trapframe->a0 = syscalls[num](); // 系统调用返回值
10    if ((p->trace_mask >> num) & 1) {
11      printf("%d: syscall %s -> %d\n", p->pid, syscall_name[num], p->trapframe->a0);
12    }
13  }
14  ...
15}

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

 1int
 2kfreemem(void)
 3{
 4  int npage = 0;
 5  acquire(&kmem.lock);
 6  struct run *r = kmem.freelist;
 7  while (r) {
 8    r = r->next;
 9    npage++;
10  }
11  release(&kmem.lock);
12  return npage * PGSIZE;
13}

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。

 1int
 2nproc(void)
 3{
 4  int cnt = 0;
 5  for (int i = 0; i < NPROC; i++) {
 6    if (proc[i].state != UNUSED) {
 7      cnt++;
 8    }
 9  }
10  return cnt;
11}

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：

1uint64 va;
2argaddr(0, &va);
3struct sysinfo* info = (struct sysinfo*)va;
4info->freemem = kfreemem();
5info->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：

 1uint64
 2sys_sysinfo(void)
 3{
 4  uint64 va;
 5  if (argaddr(0, &va) < 0) {
 6    return -1;
 7  }
 8
 9  // info is in kernel address space
10  struct sysinfo info;
11  info.freemem = kfreemem();
12  info.nproc = nproc();
13
14  // copy info to *va
15  return copyout(myproc()->pagetable, va, (char*)&info, sizeof(info));
16}

测试结果

 1$ make grade
 2...
 3== Test trace 32 grep ==
 4$ make qemu-gdb
 5trace 32 grep: OK (2.6s)
 6== Test trace all grep ==
 7$ make qemu-gdb
 8trace all grep: OK (1.0s)
 9== Test trace nothing ==
10$ make qemu-gdb
11trace nothing: OK (0.9s)
12== Test trace children ==
13$ make qemu-gdb
14trace children: OK (13.6s)
15== Test sysinfotest ==
16$ make qemu-gdb
17sysinfotest: OK (1.7s)
18== Test time ==
19time: OK
20Score: 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。