Lab 4: Preemptive Multitasking

tags: mit-6.828, os

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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。介绍了spin lock和sleep lock，并给出了spin lock的实现。
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[] belowvolatile unsigned cpu_status;   // The status of the CPUstruct 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：

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 < NCPU; i++) {boot_map_region(kern_pgdir, KSTACKTOP - KSTKSIZE - i * (KSTKSIZE + KSTKGAP), KSTKSIZE, PADDR(percpu_kstacks[i]), PTE_W);}
}

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?
};

这是一种spin-locks。让我们来看看自旋锁的实现原理。
我们最容易想到的获取自旋锁的代码如下：

21 void
22 acquire(struct spinlock *lk)
23 {
24    for(;;) {
25      if(!lk->locked) {
26          lk->locked = 1;
27          break;
28      }
29    }
30 }

但是这种实现是有问题的，假设两个CPU同时执行到25行，发现lk->locked是0，那么会同时获取该锁。问题出在25行和26行是两条指令。

我们的获取锁，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 4asm 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);
}static inline uint32_t
xchg(volatile uint32_t *addr, uint32_t newval)
{uint32_t result;// The + in "+m" denotes a read-modify-write operand.asm volatile("lock; xchgl %0, %1": "+m" (*addr), "=a" (result): "1" (newval): "cc");return result;
}

对于spin_lock()获取锁的操作，使用xchgl这个原子指令，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。因为这里使用的xchgl指令，从addr指向的位置读数据保存到result，然后将newval写到该位置，但是原子的，相当于之前25和26行的结合，所以也就不会出现上述的问题。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。
至于为什么spin_lock()的while循环中，需要加asm volatile ("pause");？可以参考
https://c9x.me/x86/html/file_module_x86_id_232.html, pause指令相当于一个带延迟的noop指令（that is, it performs essentially a delaying noop operation），主要是为了减少能耗。

还有另一类称作sleep lock的锁类型。例如在一个双核的机器上有两个线程(线程A和线程B)，它们分别运行在CPU 1和CUP 2上。假设线程A想要某个sleep lock，而此时这个锁正被线程B所持有，那么线程A就会被阻塞(blocking)，CPU1 会在此时进行上下文切换将线程A置于等待队列中，此时CPU 1就可以运行其他的任务(例如另一个线程C)而不必进行忙等待。而spin lock则不是，如果线程A获取spin lock，那么线程A就会一直在 CPU 1上进行忙等待并不停的进行锁请求，直到得到这个锁为止。
jos中没有实现sleep lock。

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 < NENV; i++) {        //遍历所有Env结构j = (start + i) % NENV;if (envs[j].env_status == ENV_RUNNABLE) {env_run(&envs[j]);}}if (curenv && curenv->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 returnssched_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0return 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_envif ((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_envret = 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：
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 addressfault_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->tf_esp && tf->tf_esp < UXSTACKTOP) {stacktop = tf->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%eipcurenv->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 UTFmovl _pgfault_handler, %eaxcall *%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_errmovl 40(%esp), %eax     //保存中断发生时的esp到eaxmovl 32(%esp), %ecx     //保存终端发生时的eip到ecxmovl %ecx, -4(%eax)     //将中断发生时的esp值亚入到到原来的栈中popaladdl $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4ret

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。
   

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 <inc/memlayout.h>).// 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panicpanic("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_COWif ((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 < USTACKTOP; addr += PGSIZE) {if ((uvpd[PDX(addr)] & PTE_P) && (uvpt[PGNUM(addr)] & PTE_P) //为什么uvpt[pagenumber]能访问到第pagenumber项页表条目：https://pdos.csail.mit.edu/6.828/2018/labs/lab4/uvpt.html&& (uvpt[PGNUM(addr)] & PTE_U)) {duppage(envid, PGNUM(addr));    //拷贝当前进程映射关系到子进程}}int r;if ((r = sys_page_alloc(envid, (void *)(UXSTACKTOP-PGSIZE), PTE_P | PTE_W | PTE_U)) < 0)    //为子进程分配异常栈panic("sys_page_alloc: %e", r);sys_env_set_pgfault_upcall(envid, _pgfault_upcall);     //为子进程设置_pgfault_upcallif ((r = sys_env_set_status(envid, ENV_RUNNABLE)) < 0)  //设置子进程为ENV_RUNNABLE状态panic("sys_env_set_status: %e", r);return envid;
}

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：

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：
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，时钟中断到来时，内核调用sched_yield()选择另一个Env结构执行。
3. 实现写时拷贝fork（进程创建）。fork()是库函数，会调用sys_exofork(void)这个系统调用，该系统调用在内核中为子进程创建一个新的Env结构，然将父进程的寄存器状态复制给该Env结构，复制页表，对于PTE_W为1的页目录，复制的同时，设置PTE_COW标志。为父进程和子进程设置缺页处理函数，处理逻辑：当缺页中断发生是因为写写时拷贝的地址，分配一个新的物理页，然后将该虚拟地址映射到新的物理页。
   原理总结如下：
4. 实现进程间通信。本质还是进入内核修改Env结构的的页映射关系。原理总结如下：

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

如有错误，欢迎指正(*^_^*)：
15313676365