前言

好像没啥前言

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环境搭建
Lab1:Utilities

参考链接

官网链接
xv6手册链接，这个挺重要的，建议做lab之前最好读一读。
xv6手册中文版，这是几位先辈们的辛勤奉献来的呀！再习惯英文文档阅读我还是更喜欢中文一点，开源无敌！
官方文档

0. 前置准备

很惭愧，以前github用得少，这一步折腾了老半天，我再说一遍我个人的开发流程——先在windows下git一个本地仓库，然后用VS编辑，写完后git push上去，在WSL的对应地方git pull下来，然后编译运行。

前面环境配置中我为了连接到我个人的远程仓库，是直接把原本的远程仓库删了的，然后lab1做完做到lab2发现这个lab整体不是循序渐进的，而是彼此分离的，每个实验需要选择相应的分支，因此就要重新弄一下：

 git remote add base  git://g.csail.mit.edu/xv6-labs-2022
 git fetch base
 git checkout syscall
 git push --set-upstream origin syscall

当然，别忘了加.gitignore

1. System call tracing (moderate)

简单分析

gdb教学我就不说了，看看这个task。

先简单研究一下我们需求的这个trace是干什么的吧，trace顾名思义，tracing，追踪、寻迹的意思，比如ray tracing，就是光线追踪，这个命令接受一个传参mask，内涵是一个掩码，每一位对应一个系统调用的一个序号，比如传入32，代表 32 1<<SYS_read，2147483647 代表追踪所有syscall，具体的这些值定义在了kernel/syscall.h里，我们待会也会写

初步了解之后，就写实现吧，这个task按照hint的步骤来很清晰：

Hint 1

Add $U/_trace to UPROGS in Makefile

首先添加makefile，司空见惯了。

Hint 2

Run make qemu and you will see that the compiler cannot compile user/trace.c, because the user-space stubs for the system call don’t exist yet: add a prototype for the system call to user/user.h, a stub to user/usys.pl, and a syscall number to kernel/syscall.h. The Makefile invokes the perl script user/usys.pl, which produces user/usys.S, the actual system call stubs, which use the RISC-V ecall instruction to transition to the kernel. Once you fix the compilation issues, run trace 32 grep hello README; it will fail because you haven’t implemented the system call in the kernel yet.

然后说这个时候make，会找不到trace，我们要在用户态user/user.h里加上trace的声明，根据原文 It should take one argument, an integer “mask”, whose bits specify which system calls to trace. 可知，这玩意应该接受一个int，然后返回也是一个int（返回值其实不影响来着）：

然后我们在user/usys.pl下添加这么一行，这里的意思是声明了一个trace系统调用的入口，实际上这一段会为我们在usys.S中生成一段汇编代码。

然后在内核syscall.h中给它注册一个number

Hint 3

Add a sys_trace() function in kernel/sysproc.c that implements the new system call by remembering its argument in a new variable in the proc structure (see kernel/proc.h). The functions to retrieve system call arguments from user space are in kernel/syscall.c, and you can see examples of their use in kernel/sysproc.c.

然后模仿着添加原型？

这里简单解释一下后面这个syscalls数组，可能很多人没有看懂这，首先这是个static的不用说，然后这是个函数指针的数组（我一向很反感那些什么数组指针指针数组混着说的，直接说成装指针的数组不就一目了然了吗），函数返回值为uint64，参数为void，显然是为上面extern的那些函数准备的东西，这些都比较简单，后面的是个小feature了，它本身叫作指派初始化器（Designated Initializers），来自C99，意思就是给方括号里的那一位初始化为右边的值

但是可以看到，C99的指派初始化器的形式是[N] = expr的，中间需要一个等号连接，这里没有，它是来自GCC私货，原文出现在介绍指定初始化器的时候：An alternative syntax for this that has been obsolete since GCC 2.5 but GCC still accepts is to write ‘[index]’ before the element value, with no ‘=’. 意味着大家在自己使用时加个等号是更符合standard的写法。

然后叫我们仿照着kernel/sysproc.c里的其他函数给trace写一个定义进去：

uint64
sys_trace(void)
{
  
  return 0;
}

使用argint从寄存器取出用户传入的参数：

  int mask;
  argint(0, &mask); // 保存用户传入的参数

然后我们要把接到的这个mask保存到进程的元数据中，根据原文Add a sys_trace() function in kernel/sysproc.c that implements the new system call by remembering its argument in a new variable in the proc structure (see kernel/proc.h). T 我们在kernel/proc.h中可以找到一个结构体struct proc

很显然这个结构体记录着一些元数据，我们在这个基础上再添加一条承载mask的：

  int traceMask;               // 用于接收trace的mask

显然每一个进程都有一个独属于自己的proc对象，我们可以通过myproc()来获取这个对象的指针，就此我们可以完成我们的sys_trace定义：

uint64
sys_trace(void)
{
  argint(0, &myproc()->mask); // 尝试从用户空间读取参数
  return 0;
}

Hint 4

Modify fork() (see kernel/proc.c) to copy the trace mask from the parent to the child process.

我们知道fork出的子进程会复制父进程的内存空间，根据hint我们可以找到它的实现：

可以看到，这里明显是要做一个p到np的拷贝，p指向的是父进程的proc对象，np则应该是new proc的缩写了：

我们这个mask的修改不需要持有锁，因此只需要在alloc之后的合适时机将父进程的值赋出即可：

既然提到了alloc，这里刚好就可以想到一个问题——资源的分配与释放呢？我们知道C语言访问未初始化变量的行为是UB，那么我们默认状态下的mask进行初始化了吗？在上面那张图里我们可以清晰地看到（或者说猜到）内核依赖allocproc分配内存，依赖freeproc释放内存，因此我们可以直接F12进去看一看实现：

如图，我们可以很容易地为mask初始化以及释放时赋0值。

Hint 5

Modify the syscall() function in kernel/syscall.c to print the trace output. You will need to add an array of syscall names to index into.

然后我们为syscall这个总体的函数实现我们的功能，也就是前文中的那些打印：

我们分析一下需要做的事情：当我们进行了trace调用时，我们应当追踪mask标记的所有调用，并打印出4: syscall close -> 0这样的内容，不难看出，打印内容分为三部分：PID、系统调用的名称与系统调用的返回值，其中pid我们可以通过读取proc来获取，返回值实际在框架中都告诉你了：

    // and store its return value in p->trapframe->a0
    p->trapframe->a0 = syscalls[num]();

可以看到，系统调用的返回值被保存在了寄存器a0中，至于系统调用的名称呢？C语言中没有反射，我们就只好提前建立一张syscall的名称表，再根据mask去寻址：

// 系统调用的名称
static const char *syscallnames[] = {
[SYS_fork]    "fork",
[SYS_exit]    "exit",
[SYS_wait]    "wait",
[SYS_pipe]    "pipe",
[SYS_read]    "read",
[SYS_kill]    "kill",
[SYS_exec]    "exec",
[SYS_fstat]   "fstat",
[SYS_chdir]   "chdir",
[SYS_dup]     "dup",
[SYS_getpid]  "getpid",
[SYS_sbrk]    "sbrk",
[SYS_sleep]   "sleep",
[SYS_uptime]  "uptime",
[SYS_open]    "open",
[SYS_write]   "write",
[SYS_mknod]   "mknod",
[SYS_unlink]  "unlink",
[SYS_link]    "link",
[SYS_mkdir]   "mkdir",
[SYS_close]   "close",
[SYS_trace]   "trace",
};

搞清楚并完成了所有前置工作我们就可以开始写逻辑了，最后的syscall函数代码，很简单：

void
syscall(void)
{
  int num;
  struct proc *p = myproc();

  num = p->trapframe->a7;
  if(num > 0 && num < NELEM(syscalls) && syscalls[num]) {
    // Use num to lookup the system call function for num, call it,
    // and store its return value in p->trapframe->a0
    p->trapframe->a0 = syscalls[num]();
    if ((p->mask >> num) & 1) { // 判断系统调用是否被跟踪
      printf("%d: syscall %s -> %d\n",
              p->pid, syscallnames[num], p->trapframe->a0);
    }
  } else {
    printf("%d %s: unknown sys call %d\n",
            p->pid, p->name, num);
    p->trapframe->a0 = -1;
  }
}

测试

到这里就基本完成了，还是老规矩，我们make qemu编译，然后试一试文档中的几个命令：

trace 32 grep hello README

trace 2147483647 grep hello README

grep hello README

trace 2 usertests forkforkfork # 这一条输入之后貌似要等一会才会出一大坨

…

最后跑一下总体批分./grade-lab-syscall trace

成功通过！

2. Sysinfo (moderate)

然后让我们来完成一下task2，这个是也是添加一个系统调用，叫sysinfo：

我们先搞清楚这个调用是干啥的，从介绍可以看到，这个sysinfo接收一个struct sysinfo的指针，我们就是要写这个指针指向的对象，怎么写呢？就是将空闲的字节数存到对象里的freemem字段，将state不为UNUSED的进程数量写到nproc字段。

有一个初步的印象后就可以去写实现了，整体思路和上文trace的步骤差不多：

首先是增加$U/_sysinfotest\到Makefile:

在user/user.h里加声明：

syscall.h中：

syscall.c中（第三个是上面的那个名称表）：