清华大学操作系统Lab3实验报告
课程主页：http://os.cs.tsinghua.edu.cn/oscourse/OS2018spring
实验指导书：https://chyyuu.gitbooks.io/ucore_os_docs/content/
github：https://github.com/chyyuu/ucore_os_lab
实验目的
- 了解虚拟内存的Page Fault异常处理实现
- 了解页替换算法在操作系统中的实现
实验内容
本次实验是在实验二的基础上，借助于页表机制和实验一中涉及的中断异常处理机制，完成Page Fault异常处理和FIFO页替换算法的实现，结合磁盘提供的缓存空间，从而能够支持虚存管理，提供一个比实际物理内存空间“更大”的虚拟内存空间给系统使用。这个实验与实际操作系统中的实现比较起来要简单，不过需要了解实验一和实验二的具体实现。实际操作系统系统中的虚拟内存管理设计与实现是相当复杂的，涉及到与进程管理系统、文件系统等的交叉访问。
练习1：给未被映射的地址映射上物理页
在kern/mm/vmm.c中，（解释见注释）
//(1) try to find a pte, if pte's PT(Page Table) isn't existed, then create a
// PT.
ptep = get_pte(mm -> pgdir, addr, 1);
if (*ptep == 0) {
//(2) if the phy addr isn't exist, then alloc a page & map the phy addr
// with logical addr
pgdir_alloc_page(mm -> pgdir, addr, perm);
}
else { ... }
请描述页目录项（Page Director Entry）和页表（Page Table Entry）中组成部分对ucore实现页替换算法的潜在用处。
页目录项（Page Director Entry）：使用双向链表存储了目前所有的页的物理地址和逻辑地址的对应，即在物理内存中的所有页。替换算法中被换出的页从pgdir中选出。
页表（Page Table Entry）存储了替换算法中被换入的页的信息，替换后会将其映射到一物理地址。页表项中的dirty bit和访问位可以帮助实现一些页替换算法（比如extended clock）。
如果ucore的缺页服务例程在执行过程中访问内存，出现了页访问异常，请问硬件要做哪些事情？
- 发生异常，将产生异常的地址保存在CR2寄存器中，同时还要将EFLAGS，CS，EIP，ErrorCode等保存在内核栈上。ErrorCode设为页访问异常的编码，即0xE
- CPU将页访问异常的中断服务例程的地址加载到CS和EIP中，并开始执行中断服务程序。
- OS：OS首先将寄存器保存在内核栈中，接下来按照trap--> trap_dispatch-->pgfault_handler-->do_pgfault的调用关系来执行中断服务程序。
- OS：在do_pgfault里，OS可以获得ErrorCode，并根据ErrorCode为页访问异常，OS将执行上面补充的代码段，并完成中断服务例程。
练习2：补充完成基于FIFO的页面替换算法
在kern/mm/vmm.c中，补全*ptep != 0分支后的内容。
if(swap_init_ok) {
struct Page *page=NULL;
//swap_in(mm, addr, &page);
//(1）According to the mm AND addr, try to load the content of right .
// disk page into the memory which page managed.
//(2) According to the mm, addr AND page, setup the map of phy addr.
// <---> logical addr
if (!swap_in(mm, addr, &page) && !page_insert(mm -> pgdir, page, addr, perm)) {
//(3) make the page swappable.
swap_map_swappable(mm, addr, page, 0);
page -> pra_vaddr = addr;
}
}
else {
cprintf("no swap_init_ok but ptep is %x, failed\n",*ptep);
goto failed;
}
在kern/mm/swap_fifo.c中，补全_fifo_map_swappable和_fifo_swap_out_victim两个函数。
static int
_fifo_map_swappable(struct mm_struct *mm, uintptr_t addr, struct Page *page, int swap_in)
{
list_entry_t *head=(list_entry_t*) mm->sm_priv;
list_entry_t *entry=&(page->pra_page_link);
assert(entry != NULL && head != NULL);
//record the page access situlation
/*LAB3 EXERCISE 2: 2015011346*/
//(1)link the most recent arrival page at the back of the pra_list_head qeueue.
list_add(head -> prev, entry);
return 0;
}
static int
_fifo_swap_out_victim(struct mm_struct *mm, struct Page ** ptr_page, int in_tick)
{
list_entry_t *head=(list_entry_t*) mm->sm_priv;
assert(head != NULL);
assert(in_tick==0);
/* Select the victim */
/*LAB3 EXERCISE 2: 2015011346*/
//(1) unlink the earliest arrival page in front of pra_list_head qeueue
//(2) set the addr of addr of this page to ptr_page
list_entry_t *p = list_next(head);
*ptr_page = le2page(p, pra_page_link);
list_del(p);
return 0;
}
如果要在ucore上实现"extended clock页替换算法"请给你的设计方案，现有的swap_manager框架是否足以支持在ucore中实现此算法？如果是，请给你的设计方案。如果不是，请给出你的新的扩展和基此扩展的设计方案。并需要回答如下问题
设计方案见challenge部分的实现。用现有的swap_manager框架可以支持ucore实现extended clock页替换算法（用dirty bit作为该算法的访问标记）。
- 需要被换出的页的特征是什么？
extended clock算法可以看成一种改进的LRU算法，它避免了LRU中在访问页或找替换页时必须对所有页进行扫描。因此被换出的页基本满足最久未被访问的特征。 - 在ucore中如何判断具有这样特征的页？
指针扫描到的第一个dirty bit为0的页。 - 何时进行换入和换出操作？
当需要调入的页不在页表中，且页表已满时，进行换入换出操作。
练习1、2测试结果
扩展练习 Challenge：实现识别dirty bit的 extended clock页替换算法
模仿kern/mm/swap_fifo.h和kern/mm/swap_fifo.c，写出针对extended clock算法的kern/mm/swap_clock.h和kern/mm/swap_clock.c。代码和解释如下：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
list_entry_t pra_list_head;
/*
* (2) _clock_init_mm: init pra_list_head and let mm->sm_priv point to the addr of pra_list_head.
* Now, From the memory control struct mm_struct, we can access extend clock PRA
*/
static int
_clock_init_mm(struct mm_struct *mm)
{
list_init(&pra_list_head);
mm->sm_priv = &pra_list_head;
//cprintf(" mm->sm_priv %x in clock_init_mm\n",mm->sm_priv);
return 0;
}
/*
* (3)_clock_map_swappable: 按照课件的说法，应该将换入页插入到被换出页的位置。
* 实际操作中，换入页的在链表中的位置并不影响，因此将其插入到链表最末端。
*/
static int
_clock_map_swappable(struct mm_struct *mm, uintptr_t addr, struct Page *page, int swap_in)
{
list_entry_t *head=(list_entry_t*) mm->sm_priv;
list_entry_t *entry=&(page->pra_page_link);
assert(entry != NULL && head != NULL);
// 将新页插入到链表最后
list_add(head -> prev, entry);
// 新插入的页dirty bit标记为0.
struct Page *ptr = le2page(entry, pra_page_link);
pte_t *pte = get_pte(mm -> pgdir, ptr -> pra_vaddr, 0);
*pte &= ~PTE_D;
return 0;
}
/*
* (4)_clock_swap_out_victim: 找到换出页，仿佛是指针沿链表扫描。
* 如果扫描到的页dirty bit为1，则改为0；如果为0，则标记为换出页。
*/
static int
_clock_swap_out_victim(struct mm_struct *mm, struct Page ** ptr_page, int in_tick)
{
list_entry_t *head=(list_entry_t*) mm->sm_priv;
assert(head != NULL);
assert(in_tick==0);
list_entry_t *p = head;
while (1) {
p = list_next(p);
if (p == head) {
p = list_next(p);
}
struct Page *ptr = le2page(p, pra_page_link);
pte_t *pte = get_pte(mm -> pgdir, ptr -> pra_vaddr, 0);
// 如果dirty bit为1，改为0
if ((*pte & PTE_D) == 1) {
*pte &= ~PTE_D;
} else {
// 如果dirty bit为0，则标记为换出页
*ptr_page = ptr;
list_del(p);
break;
}
}
return 0;
}
static int
_clock_check_swap(void) {
cprintf("write Virt Page c in clock_check_swap\n");
*(unsigned char *)0x3000 = 0x0c;
assert(pgfault_num==4);
cprintf("write Virt Page a in clock_check_swap\n");
*(unsigned char *)0x1000 = 0x0a;
assert(pgfault_num==4);
cprintf("write Virt Page d in clock_check_swap\n");
*(unsigned char *)0x4000 = 0x0d;
assert(pgfault_num==4);
cprintf("write Virt Page b in clock_check_swap\n");
*(unsigned char *)0x2000 = 0x0b;
assert(pgfault_num==4);
cprintf("write Virt Page e in clock_check_swap\n");
*(unsigned char *)0x5000 = 0x0e;
assert(pgfault_num==5);
cprintf("write Virt Page b in clock_check_swap\n");
*(unsigned char *)0x2000 = 0x0b;
assert(pgfault_num==5);
cprintf("write Virt Page a in clock_check_swap\n");
*(unsigned char *)0x1000 = 0x0a;
assert(pgfault_num==6);
cprintf("write Virt Page b in clock_check_swap\n");
*(unsigned char *)0x2000 = 0x0b;
assert(pgfault_num==7);
cprintf("write Virt Page c in clock_check_swap\n");
*(unsigned char *)0x3000 = 0x0c;
assert(pgfault_num==8);
cprintf("write Virt Page d in clock_check_swap\n");
*(unsigned char *)0x4000 = 0x0d;
assert(pgfault_num==9);
cprintf("write Virt Page e in clock_check_swap\n");
*(unsigned char *)0x5000 = 0x0e;
assert(pgfault_num==10);
cprintf("write Virt Page a in clock_check_swap\n");
assert(*(unsigned char *)0x1000 == 0x0a);
*(unsigned char *)0x1000 = 0x0a;
assert(pgfault_num==11);
return 0;
}
static int
_clock_init(void)
{
return 0;
}
static int
_clock_set_unswappable(struct mm_struct *mm, uintptr_t addr)
{
return 0;
}
static int
_clock_tick_event(struct mm_struct *mm)
{ return 0; }
struct swap_manager swap_manager_clock =
{
.name = "extend_clock swap manager",
.init = &_clock_init,
.init_mm = &_clock_init_mm,
.tick_event = &_clock_tick_event,
.map_swappable = &_clock_map_swappable,
.set_unswappable = &_clock_set_unswappable,
.swap_out_victim = &_clock_swap_out_victim,
.check_swap = &_clock_check_swap,
};
为了使用extended clock算法，将swap.c中swap_init函数的
sm = &swap_manager_fifo;
改为
sm = &swap_manager_clock;
测试结果如下：
extended clock页替换算法
覆盖的知识点
- Page Fault异常处理
- 页面置换机制
与参考答案的区别
- 练习1：自己完成的。但是实现中没有加入对各种异常情况的处理（即
goto fault），参考答案后补充上去了。 - 练习2：自己完成的，差别是我的链表按照插入时间从早到晚排列，而答案的链表按照插入时间由晚到早排列。在阅读答案后，发现找到链表最后一个元素并不需要遍历一边，而是通过哨兵的
prev指针就能找到，这样能够加速插入过程，遂按照答案的方法改正。 - Challenge：自己完成。
总结
在经过了两个Lab的磕磕绊绊之后，终于意识到在开始实验之前应该认真观看Mooc并认真阅读实验指导书（特别是基本原理概述部分）。
虽然代码不到十行，却出现了三个bug。特别是最后一个，我发现lab1时的challenge实现已经不足以支持这次实验的页面替换了，所以一直在报一个奇怪的缺页错误。最后多亏多次make qemu了lab3_answer发现它没有输出set user mode才发现了这个这个问题。看来我对user mode和kernel mode的转换还缺乏了解。在发现无法借助Mooc的原理部分解决现有的问题后，我决定认真阅读一下Intel Manual来加深对操作系统的理解。