實驗總結
- 本次實驗用時約 11 個小時。
- 收獲是對 Copy-on-Write 機制的理解更深入了。
遇到的困難包括：
- 懶。
- 中間把代碼寫掛了兩次，經過 soha 提示，恍然大悟，原因是相同的：在子進程退出內存回收時把共享的 physical page 給回收了，經過修改已經解決。
測試結果：
running cowtest:
$ make qemu-gdb
(6.4s)
simple: OK
three: OK
file: OK
usertests:
$ make qemu-gdb
OK (87.4s)
time: OK
Score: 100/100
0. 實驗准備
上來直接：
$ cd xv6-riscv-fall19
$ git checkout cow
可以將實驗分為幾個子任務：
0. 給內存頁面管理系統 kalloc.c 加上引用計數機制。（這里應該加一些 assert ，就可以有效避免上述 困難2 不會調的問題，我沒加，故調不出來）
- 修改
uvmcopy()使其創建 cow 頁面而不是立即復制。cow 頁面的特點：可讀不可寫，有一個 PTE_COW 標記。（這個標記復用的 rv 定義的 pte 中第一個 custom 標志位） - 修改
usertrap()使其處理store page fault硬件異常（查 rv 手冊知，是 15 號），此時創建新頁面，更新頁表。 - 確認引用為 0 時，物理頁面會被回收。
- 對系統調用進行檢查，在他們寫入 cow 頁面前創建新頁面。
0. 引用計數
struct {
struct spinlock lock;
struct run *freelist;
uint *ref_count;
} kmem;
void
kinit()
{
initlock(&kmem.lock, "kmem");
kmem.ref_count = (uint*)end;
uint64 rc_pages = ((((PHYSTOP - (uint64)end) >> 12) + 1) * sizeof(uint) >> 12) + 1;
uint64 rc_offset = (uint64)rc_pages << 12;
freerange(end + rc_offset, (void*)PHYSTOP);
}
// ...
void
kref(void* pa) {
uint64 idx = ((uint64)pa - (uint64)end) >> 12;
acquire(&kmem.lock);
kmem.ref_count[idx]++;
release(&kmem.lock);
}
void
kderef(void* pa) {
uint64 idx = ((uint64)pa - (uint64)end) >> 12;
char shall_free = 0;
acquire(&kmem.lock);
kmem.ref_count[idx]--;
if(kmem.ref_count[idx] == 0)
shall_free = 1;
release(&kmem.lock);
if(shall_free)
kfree(pa);
}
1. 實現基於 cow 的 uvmcopy
非常好改，其中 PTE_COW = (1L << 8)，詳見 rv 手冊。
int
uvmcopy(pagetable_t old, pagetable_t new, uint64 sz)
{
pte_t *pte;
uint64 pa, i;
uint flags, newflags;
for(i = 0; i < sz; i += PGSIZE){
if((pte = walk(old, i, 0)) == 0)
panic("uvmcopy: pte should exist");
if((*pte & PTE_V) == 0)
panic("uvmcopy: page not present");
pa = PTE2PA(*pte);
flags = PTE_FLAGS(*pte);
kref((void*)pa);
newflags = flags | PTE_COW;
newflags &= (~PTE_W);
if(mappages(new, i, PGSIZE, (uint64)pa, newflags) == 0) {
uvmunmap(old, i, PGSIZE, 0);
if(mappages(old, i, PGSIZE, pa, newflags) != 0) {
panic("Bad mapping");
}
} else {
kderef((void*)pa);
goto err;
}
}
return 0;
err:
uvmunmap(new, 0, i, 1);
return -1;
}
2. 處理頁面異常
if(r_scause() == 15) {
// 15: load page fault
uint64 fault_addr = r_stval();
uint64 vpage_head = PGROUNDDOWN(fault_addr);
pte_t *pte;
if((pte = walk(p->pagetable, vpage_head, 0)) == 0) {
printf("usertrap(): page not found\n");
p->killed = 1;
goto end;
}
if((*pte | PTE_V) && (*pte | PTE_U) && (*pte | PTE_COW)) {
char *mem = kalloc();
if(mem == 0) {
printf("usertrap(): no more physical page found, exit due to OOM\n");
p->killed = 1;
goto end;
}
char *pa = (char *)PTE2PA(*pte);
memmove(mem, pa, PGSIZE);
uint flags = PTE_FLAGS(*pte);
uint newflags = flags & (~PTE_COW);
newflags |= PTE_W;
uvmunmap(p->pagetable, vpage_head, PGSIZE, 0);
kderef((void*)pa);
if(mappages(p->pagetable, vpage_head, PGSIZE, (uint64)mem, newflags) != 0) {
panic("usertrap(): cannot map page\n");
}
}
}
4 & 5. 各種檢查
模擬頁表和缺頁的檢查代碼實現如下。把它插到 sys_read sys_write sys_pipe 這三個系統調用中，即可通過 usertests 。
（注意到需要特判 pid = 1 的情況，是因為 xv6 的 initcode 中引用了大於用戶線性空間最大值 ）proc->sz（這個屬性由 sbrk 維護） 的內存地址，會觸發一個誤判，此為特例
經過與萬呆呆討論，無需特判，但我很懶我不改了。
int uvmchkaddr(struct proc *p, uint64 addr, uint64 size, int write) {
pagetable_t pagetable = p->pagetable;
pte_t *pte;
uint64 a, end;
if(p->pid > 1) {
if(addr >= p->sz) {
printf("uvmchkaddr(): page fault: invalid memory access to vaddr %p\n", addr);
return -1;
}
}
a = PGROUNDDOWN(addr);
end = PGROUNDUP(a + size);
for(; a < end; a += PGSIZE) {
if((pte = walk(pagetable, a, 1)) == 0)
panic("uvmchkaddr(): bad pte");
if(write && (*pte & PTE_COW)) {
uint64 pa0 = PTE2PA(*pte);
char *mem = kalloc();
if(mem == 0) {
printf("uvmchkaddr(): no more physical page found, exit due to OOM\n");
return -1;
}
memmove(mem, (void *)pa0, PGSIZE);
uint flags = PTE_FLAGS(*pte);
uint newflags = flags & (~PTE_COW);
newflags |= PTE_W;
uvmunmap(pagetable, a, PGSIZE, 0);
kderef((void *)pa0);
if(mappages(pagetable, a, PGSIZE, (uint64)mem, newflags) != 0) {
panic("uvmchkaddr(): cannot map page\n");
}
} else {
if(!((*pte & PTE_U) && (*pte & PTE_V)))
return -1;
}
}
return 0;
}