MIT 6.828 - 6. Lab 06: User-level Threads and Alarm

目錄

• 實驗總結
• 0. 實驗准備
• 1. Warmup: RISC-V assembly
• 2. Uthread: switching between threads
• 3. Alarm

實驗總結

1. 本次實驗用時約 20 個小時。
2. 收獲是對 context switch 的理解更深入了，了解了進程調度的一種良好設計（即用協程分割控制流，使代碼更簡潔）。

遇到的困難包括：

1. 沒有交叉的 gdb，調試困難。
2. 懶

實驗結束后的全部代碼在：https://github.com/monkey2000/xv6-riscv/tree/syscall/

測試結果：

answers-syscall.txt: OK 
uthread: 
$ make qemu-gdb
OK (2.3s) 
running alarmtest: 
$ make qemu-gdb
(3.7s) 
  alarmtest: test0: OK 
  alarmtest: test1: OK 
usertests: 
$ make qemu-gdb
OK (91.4s) 
time: OK 
Score: 100/100

0. 實驗准備

實驗指導鏈接

上來直接：

$ cd xv6-riscv-fall19
$ git checkout syscall

1. Warmup: RISC-V assembly

這塊要回答幾個問題，打開 user/call.c 和 user/call.asm ，有如下代碼片段：

int g(int x) {
  return x+3;
}

int f(int x) {
  return g(x);
}

void main(void) {
  printf("%d %d\n", f(8)+1, 13);
  exit(0);
}

000000000000001c <main>:

void main(void) {
  1c:	1141                	addi	sp,sp,-16
  1e:	e406                	sd	ra,8(sp)
  20:	e022                	sd	s0,0(sp)
  22:	0800                	addi	s0,sp,16
  printf("%d %d\n", f(8)+1, 13);
  24:	4635                	li	a2,13                              ; printf("%d %d\n", f(8)+1, 13);
  26:	45b1                	li	a1,12
  28:	00000517          	auipc	a0,0x0
  2c:	75050513          	addi	a0,a0,1872 # 778 <malloc+0xea>
  30:	00000097          	auipc	ra,0x0
  34:	5a0080e7          	jalr	1440(ra) # 5d0 <printf>
  exit(0);
  38:	4501                	li	a0,0
  3a:	00000097          	auipc	ra,0x0
  3e:	1fe080e7          	jalr	510(ra) # 238 <exit>


... lines omitted

00000000000005d0 <printf>:

void
printf(const char *fmt, ...)
{

....

下面來回答問題：

1. Which registers contain arguments to functions? For example, which register holds 13 in main's call to printf?
   • 根據 riscv user-level isa （在 doc/riscv-calling.pdf） ， a0-a7 和 fa0-fa7 共計 16 個寄存器會用於傳遞參數
   • 具體而言，根據以上代碼，可以得知 a2 寄存器用於存傳給 printf 的參數 13
2. Where is the function call to f from main? Where is the call to g? (Hint: the compiler may inline functions.)
   • 注意括號里的話。根據筆算我們知道 f(8)+1 = 12，又發現 main 中並為調用 f 函數，說明 f 在編譯期被直接優化成一個常量 12 塞到 a1 寄存器里了。
3. At what address is the function printf located?
   • 觀察 main 函數，在調用時使用了代碼 auipc ra,0x0 和 jalr 1440(ra)，前者取當前指令的 pc 加上 0x0 存入 ra，后者跳轉到 ra + 1440。計算知 0x0000000000000030 + 1440 = 0x00000000000005d0。經驗證是 printf 的入口地址。
4. What value is in the register ra just after the jalr to printf in main?
   • 此題需要看 rv spec 。jalr 指令完成后，ra 寄存器會存儲返回點位置（也即 pc + 4 ）

2. Uthread: switching between threads

這題並不難，我給想復雜了。

首先我們把 Hint 里面的問題解決：thread_switch needs to save/restore only the callee-save registers. Why?
這個是因為協程切換的過程本質是一個函數調用，因此 caller-save registers 是被調用者（如 thread_a() ）保存好的。

然后我們研究以下代碼該怎么寫（抄）：

1. 首先打開 kernel/swtch.S ，查閱 riscv calling convention ，驗證這段代碼可以完成寄存器的切換。注意 ra 表示返回地址，sp 表示當前棧頂。直接復制到 user/uthread_switch.S 即可。
2. 接着在 kernel/proc.h 中，找到上述代碼配套的 context 結構體聲明，復制到 user/uthread.c 中。
3. 修改幾行代碼。當發生協程切換時調用 uthread_switch(old_ctx, new_ctx)，完成寄存器狀態的切換；當新建協程時，將 ra 設為協程入口點地址，sp 設為 thread.stack 的最高地址（棧底）。

第三部相對有思維量的代碼如下，可以證明是正確的：

t->ctx.ra = (uint64) func;
t->ctx.sp = (uint64) (&t->stack) + STACK_SIZE;

3. Alarm

這塊是以 alarm 為例實現一個 signal 系統，即 signal 觸發的時候調用進程注冊的 signal handler，運行結束后返回原來進程的位置，恢復狀態。

首先，按照實驗指導，添加 sigalarm 和 sigreturn 兩個系統調用：

// kernel/signal.c
// Only for lab 06: syscall
// sys_sigalarm() and sys_sigreturn() are implemented here
//

#include "types.h"
#include "riscv.h"
#include "defs.h"
#include "param.h"
#include "spinlock.h"
#include "proc.h"
#include "signal.h"

uint64 sys_sigalarm(void) {
    struct proc *p = myproc();
    int interval; uint64 handler_addr;
    if(argint(0, &interval) < 0 || argaddr(1, &handler_addr) < 0)
        return -1;
    
    p->alarm_interval = interval;
    p->alarm_handler = handler_addr;
    p->alarm_last_tick = ticks;

    return 0;
}

uint64 sys_sigreturn(void) {
    struct proc *p = myproc();
    p->alarm_state = 0;
    memmove(p->tf, &p->alarm_tf, sizeof(struct trapframe));
    return 0;
}

這里我給 proc 結構體新增了一些字段，來存儲 alarm 相關的信息：

// Per-process state
struct proc {
//... omitted
  int alarm_interval;          // Alarm's interval (0 for disabled)
  uint64 alarm_handler;        // Virtual address of the alarm handler (can be 0 due to xv6-rv's userspace memory layout)
  uint64 alarm_last_tick;      // Ticks of the last call
  struct trapframe alarm_tf;   // trapframe for storing original tf
  uint alarm_state;            // 1 if the handler hasn't return
};

前三個變量很好理解，這里解釋一下 alarm_tf 和 alarm_state 的意義：

1. alarm_tf 用於在調用 alarm handler 的過程當中，存儲原有的 trapframe（用戶態的寄存器狀態），這樣在 sigreturn() 中可以恢復這個狀態，實現恢復執行。
2. alarm_state 用於防止因為上一個 alarm 信號還沒處理完導致的重入