6.S081 lab6 cow

#Copy-On-Write

• 当调用fork创建子进程时，会调用uvmcopy根据父进程的页表把父进程的内存空间拷贝至子进程。修改uvmcopy使此时父子进程共用物理页，并且关闭物理页的PTE_W标志，开启PTE_COW标志便于触发页面错误。代码如下：

  int
  uvmcopy(pagetable_t old, pagetable_t new, uint64 sz)
  {
    pte_t *pte;
    uint64 pa, i;
    /* uint flags; */
    /* char *mem; */
    for(i = 0; i < sz; i += PGSIZE){
      if((pte = walk(old, i, 0)) == 0)
        panic("uvmcopy: pte should exist");
      if((*pte & PTE_V) == 0)
        panic("uvmcopy: page not present");
      pa = PTE2PA(*pte);
      *pte &= ~PTE_W;
      *pte |= PTE_COW;
      if (mappages(new, i, PGSIZE, pa, PTE_FLAGS(*pte)) != 0){
          goto err;
      }
      int idx = pa / PGSIZE;
      cnt[idx]++;
      /* if((mem = kalloc()) == 0) */
      /*   goto err; */
      /* memmove(mem, (char*)pa, PGSIZE); */
      /* if(mappages(new, i, PGSIZE, (uint64)mem, flags) != 0){ */
      /*   kfree(mem); */
      /*   goto err; */
      /* } */
    }
    return 0;
  
   err:
    uvmunmap(new, 0, i / PGSIZE, 1);
    return -1;
  }
  

  上述代码的19~20行操作了全局cnt数组，定义如下：

  

  该数组为所有物理页的引用计数，当某个物理页被使用时，对应的引用计数值+1，用物理地址/PGSIZE得到索引值。

• 在usertrap中处理页面错误。调用copy_on_write函数，该函数为进程分配一个新物理页，并且将之前共享的物理页内容拷贝到新物理页中。若分配失败返回-1。

  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 (copy_on_write(p, va) != 0){
               p->killed = 1;
           }
    }
    ...
  }
  

  //cow函数，成功分配物理内存则返回0,否则返回-1
  int copy_on_write(struct proc *p, uint64 va){
      if (va >= MAXVA){
          return -1;
      }
      pte_t *pte = walk(p->pagetable, va, 0);
      if (pte == 0){
          return -1;
      }
      if ((*pte & PTE_V) == 0 || (*pte & PTE_U) == 0){
          return -1;
      }
      if ((*pte & PTE_COW) == 0){
          return -1;
      }
  
      char *mem = (char*)kalloc();
      if (mem == 0){
          printf("cow: kalloc failed\n");
          return -1;
      }
  
      memset(mem, 0, PGSIZE);
      *pte |= PTE_W;
      uint64 pa = PTE2PA(*pte);
      memmove(mem, (char*)pa, PGSIZE);
      // 重新添加映射关系
      *pte = PA2PTE((uint64)mem) | PTE_FLAGS(*pte);
      // 由于已经分配了一个新物理页，应该使旧物理页的引用计数减1
      kfree((void*)pa);
  
      return 0;
  }
  

  函数的3~15行检查了一些非法情况，注意13行处检查了物理页的PTE_COW标志，假如未开启该标志，说明这不是一个COW物理页，va是一个非法虚拟地址。为进程分配新的物理页后，需要将旧的物理页拷贝至新的物理页，并且重新添加映射关系。30行调用了kfree函数，但此处并不是真正释放物理页。

• copyout作用是把内核的数据复制到用户进程中，由于该函数是在内核中被调用的，并不会触发usertrap 。修改copyout，使其能够处理COW物理页。

  int
  copyout(pagetable_t pagetable, uint64 dstva, char *src, uint64 len)
  {
    uint64 n, va0, pa0;
  
    while(len > 0){
      va0 = PGROUNDDOWN(dstva);
      if (va0 >= MAXVA){
          return -1;
      }
      pte_t *pte = walk(pagetable, va0, 0);
      if (pte == 0 || (*pte & PTE_V) == 0 || (*pte & PTE_U) == 0){
          return -1;
      }
      if ((*pte & PTE_COW) != 0){
          if (copy_on_write(myproc(), va0) != 0){
              return -1;
          }
      }
  
      pa0 = PTE2PA(*pte);
      /* if(pa0 == 0) */
      /*   return -1; */
      n = PGSIZE - (dstva - va0);
      if(n > len)
        n = len;
      memmove((void *)(pa0 + (dstva - va0)), src, n);
      len -= n;
      src += n;
      dstva = va0 + PGSIZE;
    }
    return 0;
  }
  

• 更改kfree函数。由于加入了COW机制，使得某些物理页被共享了，所以释放物理页的时机尤为重要。当对某个物理页调用kfree时，说明该物理页不会再被用到，应该对其的引用计数-1。如果引用计数值为0，则没有任何进程使用该物理页，此时应该回收。

  kfree(void *pa)
  {
    ...
    acquire(&kmem.lock);
    int idx = (uint64)pa / PGSIZE;
    if (--cnt[idx] == 0){
        /* printf("%p\n", (uint64)pa); */
        // Fill with junk to catch dangling refs.
        memset(pa, 1, PGSIZE);
        r->next = kmem.freelist;
        kmem.freelist = r;
    }
    release(&kmem.lock);
  }