操作系统折腾记（二）

今天室友问了我一个有趣的问题。我们正在做 mit 的 xv6 2020 版实验，他写了一段代码：

#include "kernel/types.h"
#include "user/user.h"

int main(){
  int bar = 0;
  if(fork() == 0){
    // child
    bar = 1;
    printf("Child:  bar=%d, va=%p\n", bar, &bar);
    exit(0);
  }
  else{
    wait(0);
    printf("Parent: bar=%d, va=%p\n", bar, &bar);
  }
  exit(0);
}

不妨设这个用户程序叫做 vapa 吧，编译、执行，得到结果：

Child:  bar=1, va=0x0000000000002FCC
Parent: bar=0, va=0x0000000000002FCC

Child 和 Parent 的 bar 变量值不同，这符合我们的预期——fork 的时候子进程复制父进程的变量值，之后对变量的修改是独立的。但是问题是——为什么两个 bar 的地址相同呢？

刚做了（其实还没完成）mit xv6 lab3 的我立刻产生了一个猜想——这个地址只是虚拟地址，fork 的时候，子进程会复制父进程的页表，修改变量的时候，只会更改它的物理地址，而不会（也没有必要）修改虚拟地址。

猜想需要验证才能成为真理，我试图在 vapa.c 里调用 walkaddr 获取物理地址，但是遇到了一堆麻烦——也是，访问物理地址这种事情，怎么会允许用户态的程序干呢。看来只能写一个系统调用 getpa 了——getpa 获取一个虚拟地址，返回物理地址（当然是在调用它的进程的页表中找）。

做过 mit xv6 lab2，所以写系统调用也不是什么难事：

1. 首先在 user/user.h、user/usys.pl、kernel/syscall.h、kernel/syscall.c 中参照其他系统调用补上 getpa；

2. 然后在 kernel/sysproc.c 中实现一个 sys_getpa，由于内核在 kernel/vm.c 中已经为我们实现好了虚拟地址转物理地址的底层代码 walkaddr，所以直接调用之：

   uint64
   sys_getpa(void)
   {
     uint64 va;
     if(argaddr(0, &va) < 0)
       return -1;
     return walkaddr(myproc()->pagetable, va);
   }

如果我没记错的话，现在已经万事俱备了，于是我们用 getpa 在 vapa.c 中把物理地址一并输出：

#include "kernel/types.h"
#include "user/user.h"

int main(){
  int bar = 0;
  if(fork() == 0){
    // child
    bar = 1;
    printf("Child:  bar=%d, va=%p, pa=%p\n", bar, &bar, getpa((uint64)&bar));
    exit(0);
  }
  else{
    wait(0);
    printf("Parent: bar=%d, va=%p, pa=%p\n", bar, &bar, getpa((uint64)&bar));
  }
  exit(0);
}

编译执行，得到结果：

Child:  bar=1, va=0x0000000000002FBC, pa=0x0000000087F4C000
Parent: bar=0, va=0x0000000000002FBC, pa=0x0000000087F41000

哈哈！物理地址果然变了，猜想正确！