MIT6.828 HW4 lazy page allocation

环境

ubuntu 18.04 64位系统
HW地址:HW2 lazy page alloction

虽然官网没有要求去阅读trap这一章，但是我觉得还是读一下对于本次实现的代码有些帮助，而且还能基本清楚xv6是如何实现一个中断和trap的。上一次的system call虽然我们实现了一个新的system call，但是对于一个system call以及中断这些调用的过程还没有完全理解，阅读一下这一章应该可以理解个大概。

正文

操作系统使用页表的硬件来完成一些很巧妙的技巧之一就是对堆内存来懒分配(lazy applocation)。Xv6程序使用系统调用sbrk()来申请堆内存。在现有的xv6源码当中,sbrk()分配了物理内存并且将新分配的物理内存同进程的虚拟内存映射起来。有一些程序申请了内存，但是并没有使用这些内存，比如说一个很大的稀疏矩阵。复杂的内核会延迟每一个内存页的分配知道程序真正需要这个页--会触发page fault（因为没有分配页，所以会触发page fault）。本次实验的目的就是在xv6中实现lazy page allocation。
第一部分:
第一部分要做的就是在sbrk()移除page allocation的代码。sbrk()会掉用sys_sbrk()来实现内存的分配，所以我们要去修改sys_sbrk()的代码（sys_sbrk在sysproc.c中）。sbrk(n)这个系统调用将进程的内存范围增长n字节，然后返回新分配的内存块的地址（也就是原来内存的大小）。新的sbrk(n)应该只增长进程的内存大小(myproc()->sz)然后返回old size。它应该只增加进程内存大小，但是不分配内存。
实现代码后，编译，然后在shell 里面输入echo hi ，你应该会看到下面的结果:

init: starting sh
$ echo hi
pid 3 sh: trap 14 err 6 on cpu 0 eip 0x12f1 addr 0x4004--kill proc
$ 

错误信息pid 3 sh:trap...来自trap.c,因为trap.c不知道如何去处理page fault(中断号14，也就是T_PGFLT)。0x4004表示导致发生错误的虚拟地址。

代码实现
因为前面说了sbrk()会掉用sys_sbrk()来实现内存的申请，所以我们只需要去修改sys_sbrk()的代码就行了。原来的代码就不贴了。

int
sys_sbrk(void)
{
  int addr;
  int n;

  if(argint(0, &n) < 0)  //从栈当中获得参数，并且放到n当中，看trap那一节可以理解的
    return -1;
  addr = myproc()->sz;
  myproc()->sz += n; //只增加内次大小，但是没有分配实际的内存
  return addr; //返回原来的size
}

下面是我的实验结果:

实验结果

可以看到和上面题目说的输出结果是一样的，错误的原因是在trap.c里面没有代码来处理page fault(中断号14)。下面的 代码就在trap.c当中，上面的输出结果就这里来的。

  default:
    if (myproc() == 0 || (tf->cs & 3) == 0)
    {
      // In kernel, it must be our mistake.
      cprintf("unexpected trap %d from cpu %d eip %x (cr2=0x%x)\n",
              tf->trapno, cpuid(), tf->eip, rcr2());
      panic("trap");
    }
    // In user space, assume process misbehaved.
    cprintf("pid %d %s: trap %d err %d on cpu %d "
            "eip 0x%x addr 0x%x--kill proc\n",
            myproc()->pid, myproc()->name, tf->trapno,
            tf->err, cpuid(), tf->eip, rcr2());
    myproc()->killed = 1;
  }

第二部分： lazy page allocation
修改trap.c中的代码，通过新申请一个物理内存页并且将这个页映射到错误的地址，然后返回到用户程序继续执行接下来的代码。你应该在cprintf输出错误信息之前加上你的代码。你不需要覆盖所有的边界条件，只需要能够运行一些简单的命令就行了，比如说echo,ls等等
第二部分的关键是下面几个提示:

1. 提示: 看看cprintf的参数，如何得到引发page fault的地址
2. 从allocuvm()中偷学一点代码,sbrk()通过调用growporc()，然后gorwproc()调用allocuvm()来实现对进程的内存扩容。
3. break或者return来避免cprintf()以及myproc()->killed,这个意思是说省的调用cprintf输出了错误信息，所以应该在错误信息之前就返回
4. 你应该调用mappages().为了能够调用mappages(),首先需要在vm.c中将mappages()前面的static移除，然后还要在trap.c当中声明一下。
5. 你可以通过tf->trapno == T_PGFLT来判断此时的错误是不是page fault
6. 使用PGROUNDDOWN(va)来讲虚拟地址向下取整
   本来按照题目的意思应该是在default里面通过if(tf->trapno == T_PGFLT)来判断的，不过我这样做了，我加一个新的case来实现这个,就直接给出代码吧，思路就卸载注释里面:

  case T_PGFLT:
    cprintf("page fault occured \n");  //测试一下我们进入了这里的代码
    struct proc *curproc = myproc();  //获得当前进程
    uint addr = PGROUNDDOWN(rcr2());  //向下取整，cr2寄存器保存这引发page fault的地址
    char *mem = kalloc(); //新申请一个页，返回的是虚拟地址
    memset(mem, 0, PGSIZE); //将这个页设置的内容设置为0

      //mappages，将新申请到的虚拟地址和mem对应 物理地址映射起来
    if (mappages(curproc->pgdir, (char *)addr, PGSIZE, V2P(mem), PTE_W | PTE_U) < 0)
    {  
      //如果映射失败，kill这个线程，并且释放刚刚申请的内存。
      //这里只是将进程标记为kill
      cprintf("out of memory \n");
      curproc->killed = 1;
      kfree(mem);
    }
    break;

下面是我的实验结果,不知道什么原因会输出两次page fault occured,也就是说发生了两次page fault，原因我也暂时还不知道。上面的代码还是比较简陋的，challenge 里面的东西都还没有实现。

实验结果