chapter5练习

Lab3 编程作业

进程创建

大家一定好奇过为啥进程创建要用 fork + exec 这么一个奇怪的系统调用，就不能直接搞一个新进程吗？ 思而不学则殆，我们就来试一试！这章的编程练习请大家实现一个完全 DIY 的系统调用 spawn，用以创建一个新进程。

spawn 系统调用定义( 标准spawn看这里 )：

fn sys_spawn(path: *const u8) -> isize

  • syscall ID: 400

  • 功能：新建子进程，使其执行目标程序。

  • 说明：成功返回子进程id，否则返回 -1。

  • 可能的错误：

    • 无效的文件名。

    • 进程池满/内存不足等资源错误。

TIPS：虽然测例很简单，但提醒读者 spawn 不必 像 fork 一样复制父进程的地址空间。

stride 调度算法

ch3 中我们实现的调度算法十分简单。现在我们要为我们的 os 实现一种带优先级的调度算法：stride 调度算法。

算法描述如下:

(1) 为每个进程设置一个当前 pass，表示该进程当前已经运行的“长度”。另外设置其对应的 stride 值（只与进程的优先权有关系），表示对应进程在调度后，pass 需要进行的累加值。

  1. 每次需要调度时，从当前 runnable 态的进程中选择 pass 最小的进程调度。对于获得调度的进程 P，将对应的 pass 加上其对应的步长 stride。

  2. 一个时间片后，回到上一步骤，重新调度当前 pass 最小的进程。

可以证明，如果令 P.stride = BigStride / P.priority 其中 P.priority 表示进程的优先权（大于 1），而 BigStride 表示一个预先定义的大常数，则该调度方案为每个进程分配的时间将与其优先级成正比。证明过程我们在这里略去，有兴趣的同学可以在网上查找相关资料。

其他实验细节：

  • stride 调度要求进程优先级 \(\geq 2\)，所以设定进程优先级 \(\leq 1\) 会导致错误。

  • 进程初始 pass 设置为 0 即可。

  • 进程初始优先级设置为 16。

为了实现该调度算法，内核还要增加 set_prio 系统调用

// syscall ID：140
// 设置当前进程优先级为 prio
// 参数：prio 进程优先级，要求 prio >= 2
// 返回值：如果输入合法则返回 prio，否则返回 -1
fn sys_set_priority(prio: isize) -> isize;

实现 tips:

  • 你可以在TCB加入新的字段来支持优先级等。

  • 为了减少整数除的误差，BIG_STRIDE 一般需要很大，但为了不至于发生反转现象（详见问答作业），或许选择一个适中的数即可，当然能进行溢出处理就更好了。

  • stride 算法要找到 pass 最小的进程，使用优先级队列是效率不错的办法，但是我们的实验测例很简单，所以效率完全不是问题。事实上，很推荐使用暴力扫一遍的办法找最小值。

  • 注意设置进程的初始优先级。

注意

为了让大家能在本编程作业中使用 Vec 等数据结构，我们利用第三方库 buddy_system_allocator 为大家实现了堆内存分配器，相关代码位于 mm/heap_allocator 模块。

背景知识： Rust 中的动态内存分配

实验要求

  • lab3(os5)参考框架:

  • 实验目录在 os5 。注意在reports中放入lab1-3的所有报告。

  • 通过所有测例。

    在 os5 目录下 make run BASE=2 加载所有测例， ch5_usertest 打包了所有你需要通过的测例， 你也可以通过修改这个文件调整本地测试的内容, 或者单独运行某测例来纠正特定的错误。 ch5_stride 检查 stride 调度算法是否满足公平性要求，六个子程序运行的次数应该大致与其优先级呈正比，测试通过标准是 \(\max{\frac{runtimes}{prio}}/ \min{\frac{runtimes}{prio}} < 1.5\).

    CI 的原理是用 ch5_usertest 替代 ch5b_initproc ，使内核在所有测例执行完后直接退出。

    从本章开始，你的内核必须前向兼容，能通过前一章的所有测例。

  • 开发并通过所有测例

在 YOUR_LAB3_REPO_DIR 下进行编码（可学习参考 os5/src 目录下的源代码，并在 os5/src 中完成编码），并进行编译测试。

注解

测试方式

你的实现只需且必须通过测例，建议读者感到困惑时先检查测例

如果实现正确，可在项目仓库的根目录下执行 make test5 ，应该看到类似如下的显示输出：

 $ cd  YOUR_LAB3_REPO_DIR
 $ make test5
 ......
 [rustsbi] RustSBI version 0.2.2, adapting to RISC-V SBI v1.0.0
 .______       __    __      _______.___________.  _______..______   __
 |   _  \     |  |  |  |    /       |           | /       ||   _  \ |  |
 |  |_)  |    |  |  |  |   |   (----`---|  |----`|   (----`|  |_)  ||  |
 |      /     |  |  |  |    \   \       |  |      \   \    |   _  < |  |
 |  |\  \----.|  `--'  |.----)   |      |  |  .----)   |   |  |_)  ||  |
 | _| `._____| \______/ |_______/       |__|  |_______/    |______/ |__|
 [rustsbi] Implementation     : RustSBI-QEMU Version 0.1.1
 [rustsbi] Platform Name      : riscv-virtio,qemu
 [rustsbi] Platform SMP       : 1
 [rustsbi] Platform Memory    : 0x80000000..0x88000000
 [rustsbi] Boot HART          : 0
 [rustsbi] Device Tree Region : 0x87000000..0x87000ef2
 [rustsbi] Firmware Address   : 0x80000000
 [rustsbi] Supervisor Address : 0x80200000
 [rustsbi] pmp01: 0x00000000..0x80000000 (-wr)
 [rustsbi] pmp02: 0x80000000..0x80200000 (---)
 [rustsbi] pmp03: 0x80200000..0x88000000 (xwr)
 ......
 [PASS] found <current time_msec = (\d+)>
 [PASS] found <Test wait OK42266!>
 [PASS] found <time_msec = (\d+) after sleeping (\d+) ticks, delta = (\d+)ms!>
 [PASS] found <Test 04_4 test OK42266!>
 [PASS] found <Test 04_6 ummap2 OK42266!>
......
 [PASS] found <Test set_priority OK42266!>
 [PASS] found <Test write B OK42266!>
 [PASS] not found <FAIL: T.T>
 [PASS] not found <Should cause error, Test 04_2 fail!>
 [PASS] not found <Should cause error, Test 04_3 fail!>

 Test passed42266: 24/24

 stride ratio = [15202320, 13745266, 13849200, 12149100, 10944222, 9782240]
 [PASS] Stride Test

 Test passed42266: 1/1

  • 提交你的修改

    • 如果是基于GitHub Classroom 开发, 在本地环境或在线codespaces环境下，执行 git push 命令，提交修改的代码到gitub进行CI自动评测。如果评测结果是 红色小叉 （位于repo的中上位置），可进一步点击红色小叉查找具体出错时的CI执行情况。

问答作业

stride 算法深入

stride 算法原理非常简单，但是有一个比较大的问题。例如两个 stride = 10 的进程，使用 8bit 无符号整形储存 pass， p1.pass = 255, p2.pass = 250，在 p2 执行一个时间片后，理论上下一次应该 p1 执行。

  • 实际情况是轮到 p1 执行吗？为什么？

我们之前要求进程优先级 >= 2 其实就是为了解决这个问题。可以证明， 在不考虑溢出的情况下 , 在进程优先级全部 >= 2 的情况下，如果严格按照算法执行，那么 PASS_MAX – PASS_MIN <= BigStride / 2。

  • 为什么？尝试简单说明（不要求严格证明）。

  • 已知以上结论，考虑溢出的情况下，可以为 pass 设计特别的比较器，让 BinaryHeap<Pass> 的 pop 方法能返回真正最小的 Pass。补全下列代码中的 partial_cmp 函数，假设两个 Pass 永远不会相等。

use core::cmp::Ordering;

struct Pass(u64);

impl PartialOrd for Pass {
    fn partial_cmp(&self, other: &Self) -> Option<Ordering> {
        // ...
    }
}

impl PartialEq for Pass {
    fn eq(&self, other: &Self) -> bool {
        false
    }
}

TIPS: 使用 8 bits 存储 pass, BigStride = 255, 则: (125 < 255) == false, (129 < 255) == true.

报告要求

  • 简单总结你实现的功能（200字以内，不要贴代码）。

  • 完成问答题。

  • (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。