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 sys_trace

引入虚存机制后，原来内核的 sys_gettimeofday 和 sys_trace 函数实现就无效了。 请你重写这两个系统调用的代码，恢复其正常功能。

此外，由于本章我们有了地址空间作为隔离机制，所以 sys_trace 需要考虑一些额外的情况：

  • 在读取（trace_request 为 0）时，如果对应地址用户不可见或不可读，则返回值应为 -1（int 的 -1，而非 uint8_t）。

  • 在写入（trace_request 为 1）时，如果对应地址用户不可见或不可写，则返回值应为 -1（int 的 -1，而非 uint8_t）。

提示

  • 参考框架其他传指针的 syscall 实现。

小心

  • 测例 ch4_trace1.c 依赖下面的 mmap 和 munmap 实现。你需要正确实现 map 和 munmap 后才能完全通过此测例。

mmap 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，仅使用匿名映射来申请内存。

请实现 mmap 和 munmap 系统调用，mmap 定义如下：

int mmap(void* start, unsigned long long len, int prot, int flags)

  • 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 开始的虚拟地址，内存页属性为 prot。

  • 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。

    • prot：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。

    • flags：默认为 MAP_ANONYMOUS，可忽略该参数。

  • 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。

    • flags 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。

    • prot & ~0x7 == 0， prot 其他位必须为 0

    • prot & 0x7 != 0，不可读不可写不可执行的内存无意义

munmap 系统调用定义如下：

int munmap(void* start, unsigned long long len)

  • syscall ID：215

  • 功能：取消到虚拟地址区间 [start, start + len) 的映射。

  • 参数和返回值：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。

  • 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。

提示

  • 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 prot 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，修复 gettimeofday 和 trace，通过所有测例。

实验目录请参考 ch3，报告命名 lab2.md/pdf

问答作业

  1. 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？

  2. 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？

  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。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）