6.S081 lab5 lazy

#lazy page allocation

• 首先修改sbrk系统调用，找到sys_sbrk函数。可以发现此函数增加了用户进程的堆空间并调用growproc分配物理页。由于我们需要实现lazy策略，只让p->sz增加就行了，并不直接分配物理页，而是在缺页中断分配真正的物理页。这里需要注意sbrk的参数可以是一个负数（也就是回收一部分堆空间），如果这种情况出现，可以直接调用growproc函数来处理。代码如下：

  growproc(int n)
  {
    uint sz;
    struct proc *p = myproc();
  
    sz = p->sz;
    if(n > 0){
      if((sz = uvmalloc(p->pagetable, sz, sz + n)) == 0) {
        return -1;
      }
    } else if(n < 0){
      sz = uvmdealloc(p->pagetable, sz, sz + n);
    }
    p->sz = sz;
    return 0;
  }
  

• 在usertrap中增加代码以处理缺页中断。r_stval读取了导致缺页中断发生的虚拟地址值。加入lazy_alloc函数实现懒分配，若该函数返回-1，则懒分配失败，应该杀掉进程。

  void
  usertrap(void)
  {
    ...
    if(r_scause() == 8){
      // system call
  
      if(p->killed)
        exit(-1);
  
      // sepc points to the ecall instruction,
      // but we want to return to the next instruction.
      p->trapframe->epc += 4;
  
      // an interrupt will change sstatus &c registers,
      // so don't enable until done with those registers.
      intr_on();
  
      syscall();
    } else if(r_scause() == 13 || r_scause() == 15){
         uint64 va = r_stval();
         if (lazy_alloc(p, va) != 0){
             p->killed = -1;
         }
     
    } else if((which_dev = devintr()) != 0){
      // ok
    } else {
      printf("usertrap(): unexpected scause %p pid=%d\n", r_scause(), p->pid);
      printf("            sepc=%p stval=%p\n", r_sepc(), r_stval());
      p->killed = 1;
    }
  
   ...
  }
  

  实现lazy_alloc函数：

  int lazy_alloc(struct proc *p, uint64 va)
  {
      uint64 new_sz = p->sz;
      if (va >= new_sz || va < PGROUNDDOWN(p->trapframe->sp)){
          return -1;
      }
      /* printf("page fault: %p\n", va); */
      uint64 pa = (uint64)kalloc();
      if (pa == 0){
          return -1;
      }
      memset((void*)pa, 0, PGSIZE);
      va = PGROUNDDOWN(va);
      if (mappages(p->pagetable, va, PGSIZE, pa, PTE_W | PTE_U | PTE_R) != 0){
         kfree((void*)pa);
         p->killed = 1;
      }
  
      return 0;
  }
  

  函数的4~6行检查了虚拟地址的合法性，va不能超过堆空间的大小，也不能超过栈顶。分配一个物理页后，把映射关系添加到进程的页表中。

• 当进程回收时，会调用uvmunmap，更改uvmunmap函数。该函数的作用是清理页表中的映射关系。由于我们实现了懒分配（并没有真正分配物理页），所以页表可能中找不到pte ，或者找到的pte并不是有效的，此时不应该panic，因为这两种情况是可能出现的。

  void
  uvmunmap(pagetable_t pagetable, uint64 va, uint64 npages, int do_free)
  {
    ...
    for(a = va; a < va + npages*PGSIZE; a += PGSIZE){
      if((pte = walk(pagetable, a, 0)) == 0)
        /* panic("uvmunmap: walk"); */
          continue;
      if((*pte & PTE_V) == 0)
        /* panic("uvmunmap: uvmunmap: not mapped"); */
        continue;
      ...
    }
  }
  

• fork系统调用会调用uvmcopy函数拷贝父进程的内存到子进程中，需要做与uvmunmap类似的处理。

  int
  uvmcopy(pagetable_t old, pagetable_t new, uint64 sz)
  {
    ...
    for(i = 0; i < sz; i += PGSIZE){
      if((pte = walk(old, i, 0)) == 0)
        /* panic("uvmcopy: pte should exist"); */
          continue;
      if((*pte & PTE_V) == 0)
        /* panic("uvmcopy: page not present"); */
          continue;
     ...
    }
    return 0;
  
   err:
    uvmunmap(new, 0, i / PGSIZE, 1);
    return -1;
  }
  

• 如write等系统调用可能会使用未分配物理页的虚拟地址。查看filewrite函数，当文件是管道时，函数会调用pipewrite，在pipewrite中，会调用copyin把用户空间的内存拷贝到内核中。copyin中调用了walkaddr从用户页表中得到物理地址，此时物理页可能没有分配。修改walkaddr以分配物理页。代码如下：

  uint64
  walkaddr(pagetable_t pagetable, uint64 va)
  {
    ...
    pte = walk(pagetable, va, 0);
    if(pte == 0 || (*pte & PTE_V) == 0){
      if (lazy_alloc(myproc(), va) < 0)
          return 0;
    }
    ...
    return pa;
  }