chapter4练习

编程作业

重写 sys_get_time 和 sys_task_info

引入虚存机制后，原来内核的 sys_get_time 和 sys_task_info 函数实现就无效了。请你重写这个函数，恢复其正常功能。

mmap 和 munmap 匿名映射

mmap 在 Linux 中主要用于在内存中映射文件， 本次实验简化它的功能，仅用于申请内存。

请实现 mmap 和 munmap 系统调用，mmap 定义如下：

fn sys_mmap(start: usize, len: usize, port: usize) -> isize

  • syscall ID：222

  • 申请长度为 len 字节的物理内存（不要求实际物理内存位置，可以随便找一块），将其映射到 start 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，要求按页对齐

    • len 映射字节长度，可以为 0

    • 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。其他位无效且必须为 0

  • 返回值：执行成功则返回 0，错误返回 -1

  • 说明：

    • 为了简单，目标虚存区间要求按页对齐，len 可直接按页向上取整，不考虑分配失败时的页回收。

  • 可能的错误：

    • start 没有按页大小对齐

    • port & !0x7 != 0 (port 其余位必须为0)

    • port & 0x7 = 0 (这样的内存无意义)

    • [start, start + len) 中存在已经被映射的页

    • 物理内存不足

munmap 定义如下：

fn sys_munmap(start: usize, len: usize) -> isize

  • syscall ID：215

  • 取消到 [start, start + len) 虚存的映射

  • 参数和返回值请参考 mmap

  • 说明：

    • 为了简单，参数错误时不考虑内存的恢复和回收。

  • 可能的错误：

    • [start, start + len) 中存在未被映射的虚存。

tips:

  • 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？

实验要求

  • 实现分支：ch4。

  • 实现 mmap 和 munmap 两个系统调用，通过所有测例。

  • 实验目录请参考 ch3，报告命名 lab2.md/pdf

TIPS：注意 port 参数的语义，它与内核定义的 MapPermission 有明显不同！

问答作业

  1. 请列举 SV39 页表页表项的组成，描述其中的标志位有何作用？

  2. 缺页

    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，描述相关重要寄存器的值，上次实验描述过的可以简略。

    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？

    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。

    • 处理 10G 连续的内存页面，对应的 SV39 页表大致占用多少内存 (估算数量级即可)？

    • 请简单思考如何才能实现 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？

  3. 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。 (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 )

    • 在单页表情况下，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:看看上一题最后一问）

    • 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

  • 简单总结你实现的功能（200字以内，不要贴代码）。

  • 完成问答题。

  • 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。

  • 推荐markdown文档格式。

  • (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）