chapter4练习¶
本节难度： 有一定困难，尽早开始
本章任务¶
make test BASE=1理解 vm.c 中的几个函数的大致功能，通过 bin_loader 理解当前用户程序的虚存布局。
结合课堂内容，完成本章问答作业。
完成本章编程作业。
最终，完成实验报告并 push 你的 ch4 分支到远程仓库。
编程作业¶
重新实现 sys_gettimeofday以及 taskinfo¶
引入虚存机制后，原来内核的 sys_gettimeofday 以及对应的获取 taskinfo 信息的函数实现就无效了。请你重写这个函数，恢复其正常功能。
完成后你应该能够正确执行 ch3b_sleep* 以及 ch3_taskinfo 对应的测例。通过 make test CHAPTER=4_3 BASE=1 来测试你的实现。
tips:
抄框架其他传指针的 syscall 实现。
mmap 匿名映射¶
你有没有想过，当你在 C++ 语言中写下的 new int[100]; 执行时可能会发生哪些事情？你可能已经发现，目前我们给用户程序的内存都是固定的并没有增长的能力，这些程序是不能执行 new 这类导致内存使用增加的操作。libc 中通过 sbrk 系统调用增加进程可使用的堆空间，这也是本来的题目设计，但是一位热心的往年助教J学长表示：这一点也不酷！他推荐了另一个申请内存的系统调用。
mmap 本身主要使用来在内存中映射文件的，这里我们简化它的功能，仅仅使用匿名映射。
mmap 系统调用新定义：
int mmap(void* start, unsigned long long len, int port, int flag, int fd)
syscall ID：222
功能：申请长度为 len 字节的匿名物理内存（不要求实际物理内存位置，可以随便找一块），并映射到 addr 开始的虚存，内存页属性为 port。
- 参数：
start：需要映射的虚存起始地址。
len：映射字节长度，可以为 0 （如果是则直接返回），不可过大(上限 1GiB )。
port：第 0 位表示是否可读，第 1 位表示是否可写，第 2 位表示是否可执行。其他位无效（必须为 0 ）。
flag：目前始终为 0，忽略该参数。
fd：目前始终为 0, 忽略该参数。
- 返回值:
成功返回 0，错误返回 -1。
- 说明：
为了简单，addr 要求按页对齐(否则报错)，len 可直接按页上取整。
为了简单，不考虑分配失败时的页回收。
flag, fd 参数留待后续实验拓展。
- 错误：
[addr, addr + len) 存在已经被映射的页。
物理内存不足。
port & ~0x7 == 0，port 其他位必须为 0
port & 0x7 != 0，不可读不可写不可执行的内存无意义
munmap 系统调用新定义：
int munmap(void* start, unsigned long long len)
syscall ID：215
功能：取消一块虚存的映射。
参数：同 mmap
- 说明：
为了简单，参数错误时不考虑内存的恢复和回收。
- 错误：
[start, start + len) 中存在未被映射的虚存。
正确实现后，你的 os 应该能够正确运行 ch4_* 对应的一些测试用例，make test BASE=0 来执行测试。
tips:
匿名映射的页可以使用 kalloc() 得到。
注意 kalloc 不支持连续物理内存分配，所以你必须把多个页的 mmap 逐页进行映射。
一定要注意 mmap 是的页表项，注意 riscv 页表项的格式与 port 的区别。
你增加 PTE_U 了吗？
问答作业¶
请列举 SV39 页表页表项的组成，结合课堂内容，描述其中的标志位有何作用／潜在作用？
缺页
这次的实验没有涉及到缺页有点遗憾，主要是缺页难以测试，而且更多的是一种优化，不符合这次实验的核心理念，所以这里补两道小题。
缺页指的是进程访问页面时页面不在页表中或在页表中无效的现象，此时 MMU 将会返回一个中断，告知 os 进程内存访问出了问题。os 选择填补页表并重新执行异常指令或者杀死进程。
请问哪些异常可能是缺页导致的？
发生缺页时，描述相关的重要寄存器的值（lab2中描述过的可以简单点）。
缺页有两个常见的原因，其一是 Lazy 策略，也就是直到内存页面被访问才实际进行页表操作。比如，一个程序被执行时，进程的代码段理论上需要从磁盘加载到内存。但是 os 并不会马上这样做，而是会保存 .text 段在磁盘的位置信息，在这些代码第一次被执行时才完成从磁盘的加载操作。
这样做有哪些好处？
此外 COW(Copy On Write) 也是常见的容易导致缺页的 Lazy 策略，这个之后再说。其实，我们的 mmap 也可以采取 Lazy 策略，比如：一个用户进程先后申请了 10G 的内存空间，然后用了其中 1M 就直接退出了。按照现在的做法，我们显然亏大了，进行了很多没有意义的页表操作。
请问处理 10G 连续的内存页面，需要操作的页表实际大致占用多少内存(给出数量级即可)？
请简单思考如何才能在现有框架基础上实现 Lazy 策略，缺页时又如何处理？描述合理即可，不需要考虑实现。
缺页的另一个常见原因是 swap 策略，也就是内存页面可能被换到磁盘上了，导致对应页面失效。
此时页面失效如何表现在页表项(PTE)上？
双页表与单页表
为了防范侧信道攻击，我们的 os 使用了双页表。但是传统的设计一直是单页表的，也就是说，用户线程和对应的内核线程共用同一张页表，只不过内核对应的地址只允许在内核态访问。请结合课堂知识回答如下问题：(备注：这里的单/双的说法仅为自创的通俗说法，并无这个名词概念，详情见 KPTI )
单页表情况下，如何更换页表？
单页表情况下，如何控制用户态无法访问内核页面？（tips:看看第一题最后一问）
单页表有何优势？（回答合理即可）
双页表实现下，何时需要更换页表？假设你写一个单页表操作系统，你会选择何时更换页表（回答合理即可）？
报告要求¶
注意目录要求，报告命名
lab2.md``（或 pdf），位于 ``reports目录下。命名错误视作没有提交。不需要删除lab1.md。后续实验同理。简单总结本次实验你新添加的代码。
完成 ch4 问答作业。
推荐markdown文档格式。
加入 荣誉准则 的内容。否则，你的提交将视作无效，本次实验的成绩将按“0”分计。
(optional) 你对本次实验设计及难度/工作量的看法，以及有哪些需要改进的地方，欢迎畅所欲言。
选做题目¶
选作题目列表
（4分）惰性页面分配（Lazy page allocation）
（4分）局部页面置换算法：改进的Clock页面置换算法
（5分）全局页面置换算法：工作集置换策略
（5分）全局页面置换算法：缺页率置换策略
提交要求
（占分比：40%）实现代码（包括基本的注释）
（占分比：50%）设计与功能/性能测试分析文档，测试用例。
（占分比：10%）鼓励形成可脱离OS独立存在的库，可以裸机测试或在用户态测试（比如easyfs那样）