[xv6-mit-6.S081-2020]Lab2: syscall
Lab: system calls
https://pdos.csail.mit.edu/6.S081/2020/labs/syscall.html
代码:https://github.com/xyfJASON/xv6-mit-6.S081-2020/tree/syscall
System call tracing
任务:添加一个系统调用 trace,它接受一个整型参数 mask,mask 是一个二进制掩码,其每一位代表是否跟踪那一位表示的系统调用。例如 fork 是 1 号,那么 mask 的第 1 位就表示是否跟踪 fork。每一种系统调用的编号定义在 kernel/syscall.h 中。如果某一种系统调用被跟踪了,那么在它将要返回的时候,输出一行 <pid>: systemcall <syscall name> -> <return value>
。trace 能跟踪的进程包括调用它的那个进程,以及该进程所 fork 的子进程、子进程所 fork 的子子进程……
xv6 已经实现了一个 trace.c 用户程序,如果我们添加好了 trace 系统调用,那么这个用户程序就能正常的执行。(回顾一下,在上一个实验中,我们需要写一个用户程序 sleep,它调用系统调用 sleep;这个实验正好反过来,我们需要写一个系统调用 trace,供用户程序 trace 调用。)
现在我们需要好好研究一下 xv6 系统(基于 risc-v)究竟是如何完成系统调用的。【理了半天只总结了下面这些,如果有错误还请指出】
假设我们调用 sleep 系统调用,那么下面的事情将会依次发生:
- user/usys.S 中对应的汇编代码段将会得到执行:它会将对应的编号(sleep 是 13 号,见 kernel/syscall.h)传入 a7 寄存器,随后执行 ecall 汇编指令(见 user/usys.S)使得进程陷入内核态(supervised mode);
- 陷入内核态时,kernel/trampoline.S 中 uservec 段的汇编代码将会得到执行。这一段代码的作用是:在 TRAPFRAME 这一段内存中保存用户的所有寄存器(因此 a7 寄存器中的系统编号 13 现在被存入了 TRAPFRAME),然后恢复一些内核所必要的寄存器,例如内核栈指针、hartid、内核页表的首地址……,最后调用 usertrap();
- usertrap() 函数(见 kernel/trap.c)处理所有用户空间导致的 trap,一共有三种可能——系统调用、设备引起的中断、异常。这次我们只需要关注系统调用那一个 if 代码块。它会把返回地址设为当前 pc 加 4,这样就能返回到 ecall 的下一条指令;最后它会调用 syscall();
- syscall() 就是一个高层封装,它首先获取系统调用编号 13(第 2 步已经存储到了 p->trapframe->a7 之中,p->trapframe 指向 TRAPFRAME 的物理地址),然后找到对应系统调用的处理函数 sys_sleep();
- sys_sleep()(见 kernel/sysproc.c)还是一层封装……它会从 p->trapframe->a0 中捞出 sleep 的参数,然后终于真真正正地跑确实让进程等待的 sleep 函数了(见 kernel/proc.c),最后把返回值放进 p->trapframe->a0 之中;
- 返回时,首先执行 usertrapret()(见 kernel/trap.c),然后执行 trampoline.S 中的 usenet 段汇编代码,此处不再赘述。
一图以蔽之:
好了,现在要实现 trace 系统调用,怎么办呢?
最核心的一点是要意识到,trace 的功能是针对进程而言的,也就是说,trace 可以看成给进程打的一个标签,甚至可以看成进程具有的一个属性。所以,我们可以在 proc 结构体(kernel/proc.h),也就是 pcb 中直接加上 mask,表示当前进程的哪些系统调用被跟踪了:
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6// Per-process state
struct proc {
...
int mask; // Trace mask
...
};然后由于 trace 对子进程具有传递性,所以每次 fork 子进程的时候,都要把这个 mask “标签”传下去,这在 fork 的具体实现(kernel/proc.c)中参照其他信息的复制方式加一行:
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8int
fork(void)
{
...
// copy trace mask.
np->mask = p->mask;
...
}那 mask 在哪里被赋值的呢?获得参数的地方。在哪里获得参数?sys_trace 里面。所以参照其他调用写一份 sys_trace,把捞出来的参数赋给 mask:
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9uint64
sys_trace(void)
{
int mask;
if(argint(0, &mask) < 0)
return -1;
myproc()->mask = mask;
return 0;
}别忘了,trace 是要输出的。由上文可知,内核中处理系统调用的最高层封装是 syscall,在这一层我们已经可以知道是什么系统调用、系统调用的返回值是什么,这对 trace 的输出已经足够了。所以在 syscall 返回前,我们判断当前系统调用是否被 mask 标记了,如果是,则输出:
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13void
syscall(void)
{
...
char *syscall_names[NELEM(syscalls)+1] = {
"",
"fork",
"exit",
...
};
// if this proc is traced, print info
if((p->mask >> num) & 1)
printf("%d: syscall %s -> %d\n", p->pid, syscall_names[num], p->trapframe->a0);剩下的工作就简单了,只是把流程连起来而已,参照其他调用在 kernel/syscall.h、user/user.h、user/usys.pl(用于生成 user/usys.S 的脚本)里面加上 trace 相关部分即可。
Sysinfo
任务:添加一个系统调用 sysinfo 用于收集系统信息,它接受一个指向 struct sysinfo(见 kernel/sysinfo.h)的指针,内核需要填上这个结构体的两个元素:freemem 表示空闲内存的字节数,nproc 表示 state 不是 UNUSED 的进程的数量。
在做了第一个任务之后,这个任务显得简单了许多,不过在码之前,先理一下 kernel 中各个文件之间的关系,因为着实有些混乱,如下图所示(以 fork 和 sleep 为例):
![kernel各文件关系](rel.png)
柿子先挑软的捏,我们先把系统调用这条路打通,和之前一样,参照其他调用在 user/user.h、user/usys.pl、kernel/syscall.h、kernel/syscall.c 中补上 sysinfo;这一步完成了就能够正常编译了;
接下来我们在 kernel/sysproc.c 中实现一个 sys_sysinfo() 函数,这个函数获取指向 struct sysinfo 的指针,求出当前系统空闲内存、非 UNUSED 进程数量,存进这个指针指向的结构体中。看起来我们只需要实现两个底层功能——countfreebytes() 和 countproc()……似乎很完美?但是事情没有这么简单!问题在这个指针上,指针是我们传入的参数,指向的是用户空间的虚拟内存,但是 xv6 系统内核中的页表和用户空间中的页表不一样,所以不能直接用这个指针!(事实上,xv6 内核的虚拟内存直接映射到物理内存,但用户空间中虚拟内存是从 0 开始的)。为了解决这个问题,我们需要使用 copyout() 函数,可以参看 sys_fstat()(kernel/sysfile.c)和 filestat()(kernel/file.c)的实现。综上,我们的 sysproc.c 长这样:
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14uint64
sys_sysinfo(void)
{
struct proc *p = myproc();
uint64 ptr; // pointer to struct sysinfo
if(argaddr(0, &ptr) < 0)
return -1;
struct sysinfo si;
si.freemem = countfreebytes();
si.nproc = countproc();
if(copyout(p->pagetable, ptr, (char *)&si, sizeof(si)) < 0)
return -1;
return 0;
}现在实现 countfreebytes(),指导网页提示我们在 kernel/kalloc.c 中实现它。阅读代码可以知道,一页有 4KB (PGSIZE),空闲的页首构成一个链表 kmem.freelist,所以要求出空闲内存的字节数,数一数链表有多长即可:
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10// Count number of bytes of free memory
int
countfreebytes(void)
{
int cnt = 0;
struct run *r = kmem.freelist;
for(; r; r = r->next)
cnt += PGSIZE;
return cnt;
}最后实现 countproc(),指导网页提示我们在 kernel/proc.c 中实现它。阅读代码并且参照其他函数,知道我们可以用一个 for 循环遍历所有进程,数一数这里面有多少个不是 UNUSED 即可:
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13// Count number of processes whose state is not UNUSED.
int
countproc(void)
{
int cnt = 0;
struct proc *p;
for(p = proc; p < &proc[NPROC]; p++){
acquire(&p->lock);
cnt += (p->state != UNUSED);
release(&p->lock);
}
return cnt;
}
make grade 截图: