LAB3_Part B: Copy-on-Write Fork

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前言

记录一下自己的学习过程
实验内容翻译：
https://gitee.com/cherrydance/mit6.828
该翻译仅供参考

练习8

实现sys_env_set_pgfault_upcall系统调用。在查找目标环境的环境ID时，请确保启用权限检查，因为这是一个"危险"的系统调用。

1,判断envid合法
2，将func赋给env_pagfault_upcall

代码如下：

	struct Env * env_store = NULL;
	if(envid2env(envid, &env_store, 1) < 0){
		return -E_BAD_ENV;
	}
	env_store->env_pgfault_upcall = func;
	return 0;

最后在syscall中添加系统调用：

	case SYS_env_set_pgfault_upcall:
		ret = sys_env_set_pgfault_upcall((envid_t)a1, (void *)a2);
		break;

练习9

在kern/trap.c中实现page_fault_handler中所需的代码，以将页错误分派到用户模式处理程序。在向异常堆栈写入数据时，请采取适当的预防措施。（如果用户环境在异常堆栈上的空间用完会发生什么？）

1,检查当前环境是否注册了页错误处理程序，如果没注册则按之前的步骤销毁环境
2，检查当前的tf->tf_esp是否位于用户异常栈中，以此判断是不是第一次使用页错误处理程序
3，根据要求在栈中获取一个UTrapframe大小的空间，如果是递归还需要额外空出4字节
4，使用user_mem_assert判断是否内存溢出
5，保存tf的信息在UTrapframe之中
6，调用页错误处理程序，tf->tf_esp设置为程序返回地址，即UTrapframe的底部
7,处理完页错误之后继续运行当前环境

实现代码如下：

	if(curenv->env_pgfault_upcall != NULL){
		struct UTrapframe * utrapf = NULL;
		if(tf->tf_esp >= UXSTACKTOP-PGSIZE && tf->tf_esp < UXSTACKTOP){
			utrapf = (struct UTrapframe *)(tf->tf_esp - sizeof(struct UTrapframe) - 4);
		}else{
			utrapf =(struct UTrapframe *)(UXSTACKTOP - sizeof(struct UTrapframe));
		}
		user_mem_assert(curenv, (void *)utrapf, sizeof(struct UTrapframe), PTE_W);
		utrapf->utf_esp = tf->tf_esp;
		utrapf->utf_eflags = tf->tf_eflags;
		utrapf->utf_eip = tf->tf_eip;
		utrapf->utf_regs = tf->tf_regs;
		utrapf->utf_err = tf->tf_trapno;
		utrapf->utf_fault_va = fault_va;
		tf->tf_eip = (uintptr_t)curenv->env_pgfault_upcall;
		tf->tf_esp = (uintptr_t)utrapf;
		env_run(curenv);
		return;
	}

练习10

在lib/pfentry.S中实现_pgfault_upcall例程。最有趣的部分是返回到导致页错误的用户代码中的原始位置。您将直接返回到那里，而无需通过内核返回。难点在于同时切换堆栈和重新加载EIP。

如图，是对汇编操作的部分描述

	addl $8, %esp
	#弹出两个参数fault_va和tr_err
 	movl 0x20(%esp), %eax 
 	#将该地址向上加0x20,此时为eip的地址，将值赋给eax     
    subl $4, 0x28(%esp)
    #获取utf_esp的地址，将其减去4得到的是异常栈的顶部或者空         
    movl 0x28(%esp), %edx    
    #将这个地址的内容存到edx
    movl %eax, (%edx)             
    #把eip存到栈底或者之前为空的位置
    popal
    #弹出通用寄存器             
    addl $4, %esp
    #弹出eip      
    popfl
    #弹出eflags
    popl %esp
    #弹出esp
    ret 
    此时返回的地址是之前eip存入的地址

自己画一下图就能清楚的理解这个过程

练习11

完成lib/pgfault.c中的set_pgfault_handler()函数

1,使用系统调用分配一页
2，注册页错误处理函数

代码如下：

	if(sys_page_alloc(sys_getenvid(), (void *) (UXSTACKTOP - PGSIZE), PTE_SYSCALL) < 0){
		panic("sys_page_alloc failure in set_pgfault_handler\n");
	}
       if(sys_env_set_pgfault_upcall(sys_getenvid(), _pgfault_upcall) < 0){
		panic("sys_env_set_pgfault_upcall failure in set_pgfault_handler\n");
	}

确保运行结果与要求的一致。
faultalloc.c和faultallocbad.c的区别就是前者使用cprintf是用户级的函数，后者用到sys_cputs是系统调用函数。

练习12

在 lib/fork.c 中实现 fork、duppage 和 pgfault。
使用 forktree 程序测试你的代码。它应该会产生以下消息，并夹杂着 ‘new env’、‘free env’ 和 ‘exiting gracefully’ 的消息。这些消息可能不会按照这个顺序出现，并且环境的 ID 可能会不同。

首先实现pgfault，最先是要判断数据的合法性，即检查错误是否为写操作（检查错误代码中的 FEC_WR 标志），并且页面的页表项是否标记为 PTE_COW。如果不是，则触发 panic。这里提示我们使用uvpt来判断页表项是否标记为PTE_COW，那uvpt的含义到底如何呢。先看链接https://pdos.csail.mit.edu/6.828/2018/labs/lab4/uvpt.html，这里有初步介绍，我感觉这里最关键的一步反而在有没有认识到uvpt[]这个是看成虚拟地址，MMU在后面怎么处理这个虚拟地址去获得最终的值。这个函数的关键点也就在这。

1，判断FEC_ER和PTE_COW和PTE_P
2，获取环境id
3，分配一个可写的临时页面
4，将出错的页面内容复制到可写页面
5，将可写页面复制到出错的位置
6，取消可写页面的映射

	if(!(err & FEC_WR) || !(uvpt[PGNUM(addr)] & PTE_COW)){
		panic("pgfault :err is not TEC_WR");
	}
	if(!(uvpd[PDX(addr)] & PTE_P) || !(uvpt[PGNUM(addr)] & PTE_P)){
		panic("pgfault :err is not PTE_P\n");
	}
	envid_t e_id = sys_getenvid();
	addr = ROUNDDOWN(addr, PGSIZE);
	if(sys_page_alloc(e_id, PFTEMP, PTE_W | PTE_U | PTE_P) < 0){
		panic("pgfault: sys_page_alloc failed.");
	}
	memcpy(PFTEMP, addr, PGSIZE);
	if(sys_page_map(e_id, PFTEMP, e_id, addr, PTE_U | PTE_W | PTE_P) < 0) {
		panic("pgfault: sys_page_map failed."); 
	}
	
	if(sys_page_unmap(e_id, PFTEMP) < 0){
		panic("pgfault: sys_page_unmap failed.");
	}

对于函数duppage：
它的作用是将我们的虚拟页 pn（地址为 pn*PGSIZE）映射到目标 envid 的相同虚拟地址上。

1，如果页面是可写或者写时复制，则以写时复制的方式复制给子环境
2，此时要将父亲页面也以写时复制的方式重新映射
2，如何是只读则以只读的方式复制

	if (uvpt[pn] & PTE_W || uvpt[pn] & PTE_COW) {
		if(sys_page_map(0, (void *)(pn * PGSIZE), envid, (void *)(pn * PGSIZE), PTE_U | PTE_P | PTE_COW) < 0){
			panic("duppage: sys_page_map failure");
		}

		if(sys_page_map(0, (void *)(pn * PGSIZE), 0, (void *)(pn * PGSIZE), PTE_U | PTE_P | PTE_COW) < 0){
			panic("duppage: sys_page_map failure");
		}

	}else {
		if(sys_page_map(0, (void *)(pn * PGSIZE), 0, (void *)(pn * PGSIZE), PTE_U | PTE_P) < 0){
			panic("duppage: sys_page_map failure");
		}	
	}

fork()函数：
使用写时复制（copy-on-write）实现用户级别的 fork。

1，父进程使用上面实现的 set_pgfault_handler() 函数将 pgfault() 设置为 C 级别的页面错误处理程序。
2，父进程调用 sys_exofork() 创建一个子进程环境。
3，按要求复制USTACKTOP下的页面
4，给子进程分配一个异常栈
5，将子进程的页错误入口设置为与父进程相同
6，将子进程的运行状态设置为可运行

	extern void _pgfault_upcall(void);
	set_pgfault_handler(pgfault);
	envid_t envid = sys_exofork();
	if(envid < 0){
		panic("fork: sys_exfork() failure");
	}
	if(envid == 0){
		thisenv = envs + ENVX(sys_getenvid());
		return 0;
	}
	size_t i;
	for(i = 0; i < USTACKTOP; i+=PGSIZE){
		if((uvpd[PDX(i)] & PTE_P) && (uvpt[PGNUM(i)] & PTE_P) && (uvpt[PGNUM(i)] & PTE_U)){
			duppage(envid,PGNUM(i));
		}
	}
	if (sys_page_alloc(envid, (void *)(UXSTACKTOP - PGSIZE), PTE_U | PTE_W | PTE_P) < 0){
		panic("fork: sys_page_alloc failed.");
	}
	sys_env_set_pgfault_upcall(envid, _pgfault_upcall);
	if (sys_env_set_status(envid, ENV_RUNNABLE) < 0){
		panic("fork: sys_env_set_status failed.");
	}
	return envid;

运行结果：

总结

完成了PartB，但感觉非常模糊。先酱紫