MIT6.S081 Lab 5 COW

Lab 5 COW

思路

修改uvmcopy()建立与父进程相同的映射，记得清楚PTE_W

修改usertrap()识别页面错误，如果错误发生在COW页面上，分配页面副本，修改映射，权限设置可写

确保PTE不被引用时再释放。给每个物理页一个ref count。当被kalloc()初始化分配时设为1。当fork建立一个子进程共享页面时ref+1，当一个进程从页表丢弃该PTE时ref-1。只有当ref==0时才kfree()。

可以把每个页面的count保存在固定大小的数组内？你必须就如何索引数组以及如何选择数组大小制定一个方案。例如，你可以用页面的物理地址除以 4096 来为数组建立索引，并赋予数组与 kalloc.c 中 kinit() 放在空闲列表中的任何页面的最高物理地址相等的元素数。

修改 copyout() 以在遇到 COW 页面时使用与页面故障相同的方案

提示

通过 "懒页面分配 "实验，你可能已经熟悉了许多与写时复制相关的 xv6 内核代码。但是，您不应该将本实验建立在您的懒分配解决方案的基础上；相反，请按照上面的指示，从一个全新的 xv6 拷贝开始。
记录每个 PTE 是否为 COW 映射的方法可能很有用。为此，可以使用 RISC-V PTE 中的 RSW（为软件保留）位。
usertests 探索了 cowtest 没有测试的场景，因此不要忘记检查两者的所有测试是否都通过。
在 kernel/riscv.h 的末尾有一些有用的宏和页表标志定义。
如果发生 COW 页故障，且没有可用内存，则应杀死进程。

实验

建立相同映射

定义COW位：#define PTE_COW (1L << 8) // 1-> is a COW page

fork调用uvmcopy复制父进程，修改ucmcopy，flags设置PTE_COW清除PTE_W，mappages建立映射时选择与父进程相同的物理地址。最后修改父进程自己的pte权限，调用incrementref(pa)增加物理页的引用

int
uvmcopy(pagetable_t old, pagetable_t new, uint64 sz)
{
  pte_t *pte;
  uint64 pa, i;
  uint flags;

  for(i = 0; i < sz; i += PGSIZE){
    // check
    if((pte = walk(old, i, 0)) == 0)
      panic("uvmcopy: pte should exist");
    if((*pte & PTE_V) == 0)
      panic("uvmcopy: page not present");

    // set flags
    flags = PTE_FLAGS(*pte);
    flags |= PTE_COW; // is a COW page
    flags &= ~PTE_W; // unwritable

    // map
    pa = PTE2PA(*pte);
    if(mappages(new, i, PGSIZE, pa, flags) != 0){ // map in the same pa
      goto err;
    }
    // if map success set father proc's flags
    // it is also ok to set before, but need to restore when map failed
    *pte |= PTE_COW;
    *pte &= ~PTE_W; 
    if(incrementref(pa) < 0) // ref++
      panic("increment ref failed");
  }
  return 0;

 err:
  uvmunmap(new, 0, i / PGSIZE, 1);
  return -1;
}

reference count

定义数组，由于rsicv的地址都是从KERNBASE开始定义的，所以数组索引如下：

int ref[32768] = {0}; // reference count array
#define INDEX(p) ((p-KERNBASE)/4096)

kalloc中初始化为1

void *
kalloc(void)
{
  struct run *r;

  acquire(&kmem.lock);
  r = kmem.freelist;
  if(r){
    kmem.freelist = r->next;
    uint64 index = INDEX((uint64)r);
    if(ref[index] != 0) 
      panic("kalloc panic");
    ref[index] = 1;
  }
  release(&kmem.lock);

  if(r){
    memset((char*)r, 5, PGSIZE); // fill with junk
  }
  return (void*)r;
}

increamentref是对外提供的接口，负责增加pa物理页的引用数

int incrementref(uint64 pa){
  if(pa > KERNBASE && pa < PHYSTOP){
    if(ref[INDEX(pa)] < 65535){ // max ref count by myself
      acquire(&kmem.lock);
      ref[INDEX(pa)]++;
      release(&kmem.lock);
      return 0;
    }
    else 
      return -1;
  }
  else{
    return -1;
  }
}

解除映射调用kfree，kfree使ref-1，当且仅当ref==1时才进行释放

void
kfree(void *pa)
{
  struct run *r;

  if(((uint64)pa % PGSIZE) != 0 || (char*)pa < end || (uint64)pa >= PHYSTOP)
    panic("kfree");

  // check ref, ref--. then if ref == 0, go down dofree
  acquire(&kmem.lock);
  uint64 index = INDEX((uint64)pa);
  if(ref[index] < 1)
    panic("kfree panic");
  ref[index]--;
  if(ref[index] > 0){
    release(&kmem.lock);
    return;
  }
  release(&kmem.lock);

  // Fill with junk to catch dangling refs.
  memset(pa, 1, PGSIZE);

  r = (struct run*)pa;

  acquire(&kmem.lock);
  r->next = kmem.freelist;
  kmem.freelist = r;
  release(&kmem.lock);
}

由于启动xv6时会调用freerange初始化，此时还没调用kfree设置引用数为1，因此kfree会报错，修改freerange，先将ref[]每个元素设为1再调用kfree释放

void
freerange(void *pa_start, void *pa_end)
{
  char *p;
  p = (char*)PGROUNDUP((uint64)pa_start);
  for(; p + PGSIZE <= (char*)pa_end; p += PGSIZE){
    ref[INDEX((uint64)p)] = 1;
    kfree(p);
  }
}

页面异常处理

写入异常的cause代码号

问题1：我必须知道写入页面引发异常的编号才能在usertrap中处理

查阅RISC-V手册，确定异常编号为15

4.1.8 Supervisor Cause Register (scause)

获取引发页面异常的映射

问题2：我需要获取异常页面的va和pa才能复制pa页的副本并重建映射

可以使用stval寄存器

手册 4.1.9 Supervisor Trap Value (stval) Register

If stval is written with a nonzero value when a misaligned load or store causes an access-fault or
page-fault exception, then stval will contain the virtual address of the portion of the access that
caused the fault.

也就是说stval寄存器会保存异常页面的虚拟地址va，通过walk(va)得到pte，通过PTE2PA得到pa

综上设计如下：识别页面故障，获取va，传入处理函数处理

else if(r_scause() == 15){
    // store/AMO page fault
    if(p->killed)
      exit(-1);
    
    uint64 fault_va = r_stval();
    if(handle_store_pagefault(p->pagetable, PGROUNDDOWN(fault_va)) < 0)
      p->killed = 1;
  }

处理页面异常函数：

处理函数中，kalloc分配新的一页，memmove复制旧物理页内容到新分配的物理页中。使用PTE_FLAGS(*pte)获取flag，清除COW位修改为可写。直接用新pa和修改号的flag组合成新的pte。最后调用kfree使旧物理页的ref-1

int handle_store_pagefault(pagetable_t pagetable, uint64 va){
  uint64 pa;
  uint64 newpa;
  pte_t *pte;

  if((va % PGSIZE) != 0)
    panic("uvmunmap: not aligned");
  if((pte = walk(pagetable, va, 0)) == 0) // walk will check va
      panic("uvmcopy: pte should exist");
    if((*pte & PTE_V) == 0)
      panic("uvmcopy: page not present");
    if((*pte & PTE_U) == 0)
      panic("uvmcopy: not a user page");
  
  pa = PTE2PA(*pte);

  // alloc new page and copy
  if((newpa = (uint64)kalloc()) == 0){
    printf("no mem for a new page\n");
    return -1;
  }
  memmove((void*)newpa, (void*)pa, PGSIZE);

  //set PTE_W, clear PTE_COW, save flags
  uint flags = PTE_FLAGS(*pte);
  flags |= PTE_W;
  flags &= ~PTE_COW;

  *pte = PA2PTE(newpa) | flags; // modify pte directly
  
  kfree((void*)pa); // kfree will ref-- then free the pa when ref == 0

  return 0;
}

一些犯下的错误：

(uint64*)newpa = kalloc(); (wrong)
newpa = (uint64)kalloc(); (wright)

uvmunmap(pagetable, va, 1, 0);引起了panic: uvmunmap: not aligned

在传入handle_store_pagefault时对va进行向下对齐

copyout

usertests中copyout出错，引发错误的原因：

copyout使用walkaddr获取va0的物理地址，然后写入数据。如果要写入的页是cow fork页，就会引发了页面异常，处理函数分配新的页、修改pte，然而旧的pa对应的页依旧是不可写状态

int
copyout(pagetable_t pagetable, uint64 dstva, char *src, uint64 len)
{
  uint64 n, va0, pa0;

  while(len > 0){
    va0 = PGROUNDDOWN(dstva);
    pa0 = walkaddr(pagetable, va0); // get dstva's physical adress
    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;
}

解决方法：如果发现不可写则调用handle_store_pagefault，随后更新pa0

回过头来看为了防止用户使用copyout写入一些不可写的页，handle_store_pagefault应该增加PTE_COW检测

int
copyout(pagetable_t pagetable, uint64 dstva, char *src, uint64 len)
{
  uint64 n, va0, pa0;
  pte_t *pte;

  while(len > 0){
    va0 = PGROUNDDOWN(dstva);
    if(va0 >= MAXVA)
      return -1;
    pte = walk(pagetable,va0, 0);
    if(pte == 0 || (*pte & PTE_V) == 0 || (*pte & PTE_U) == 0)
      return -1;
    if((*pte & PTE_W) == 0) // dst is unwritable
      if(handle_store_pagefault(pagetable, 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;
}

全部测试通过：

posted @ 2024-12-15 11:45 zySail 阅读(83) 评论(0) 收藏举报

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