MIT6.S081Lab5：xv6 lazy page allocation

Eliminate allocation from sbrk()

这个相当简单，在sys_sbrk中对growproc的调用注释掉就行，然后把sz加上n。这样应该分配的页面没有分配，同时也没有映射到页表，所以使用这些分配的页面的时候会报错panic: uvmunmap: not mapped。

sys_sbrk如下：

uint64
sys_sbrk(void)
{int addr;int n;if(argint(0, &n) < 0)return -1;addr = myproc()->sz;myproc()->sz += n;// if(growproc(n) < 0)//   return -1;return addr;
}

运行echo hi结果如下

$ echo hi
usertrap(): unexpected scause 0x000000000000000f pid=3sepc=0x00000000000012ac stval=0x0000000000004008
panic: uvmunmap: not mapped

Lazy allocation

这个实验也还是比较简单，尤其是课程上已经有一些展示了，按照提示所说，在usertrap的最后一个else前加上处理页面错误的语句，分配一个新页面，置零，映射到页表上，然后重新执行指令，重新执行指令不需要做什么，因为此时p->trapframe->epc存储的就是引发错误的指令。不过这个实验好像没有考虑sbrk减少堆空间的情况。

usertrap新增如下

else if (r_scause() == 13 || r_scause() == 15) {uint64 va = r_stval();uint64 begin = PGROUNDDOWN(va);pagetable_t pagetable = p->pagetable;char *mem = kalloc();if(mem == 0){kfree(mem);exit(-1);}memset(mem, 0, PGSIZE);if(mappages(pagetable, begin, PGSIZE, (uint64)mem, PTE_W|PTE_X|PTE_R|PTE_U) != 0){kfree(mem);exit(-1);}vmprint(pagetable);}

因为释放进程内存的时候会通过页表释放堆空间，而很多堆空间并没有实际分配，即有效位为0，所以在uvmunmap中会panic，我们把相应的改为continue即可。

void
uvmunmap(pagetable_t pagetable, uint64 va, uint64 npages, int do_free)
{uint64 a;pte_t *pte;if((va % PGSIZE) != 0)panic("uvmunmap: not aligned");for(a = va; a < va + npages*PGSIZE; a += PGSIZE){if((pte = walk(pagetable, a, 0)) == 0)panic("uvmunmap: walk");if((*pte & PTE_V) == 0)continue;// panic("uvmunmap: not mapped");if(PTE_FLAGS(*pte) == PTE_V)panic("uvmunmap: not a leaf");if(do_free){uint64 pa = PTE2PA(*pte);kfree((void*)pa);}*pte = 0;}
}

运行echo hi，可以看到

$ echo hi
page table 0x0000000087f75000
..0: pte 0x0000000021fdc801 pa 0x0000000087f72000
.. ..0: pte 0x0000000021fd9401 pa 0x0000000087f65000
.. .. ..0: pte 0x0000000021fdc05f pa 0x0000000087f70000
.. .. ..1: pte 0x0000000021fd98df pa 0x0000000087f66000
.. .. ..2: pte 0x0000000021fdc40f pa 0x0000000087f71000
.. .. ..3: pte 0x0000000021fd68df pa 0x0000000087f5a000
.. .. ..4: pte 0x0000000021fd641f pa 0x0000000087f59000
..255: pte 0x0000000021fdd001 pa 0x0000000087f74000
.. ..511: pte 0x0000000021fdcc01 pa 0x0000000087f73000
.. .. ..510: pte 0x0000000021fd90c7 pa 0x0000000087f64000
.. .. ..511: pte 0x0000000020001c4b pa 0x0000000080007000
page table 0x0000000087f75000
..0: pte 0x0000000021fdc801 pa 0x0000000087f72000
.. ..0: pte 0x0000000021fd9401 pa 0x0000000087f65000
.. .. ..0: pte 0x0000000021fdc05f pa 0x0000000087f70000
.. .. ..1: pte 0x0000000021fd98df pa 0x0000000087f66000
.. .. ..2: pte 0x0000000021fdc40f pa 0x0000000087f71000
.. .. ..3: pte 0x0000000021fd68df pa 0x0000000087f5a000
.. .. ..4: pte 0x0000000021fd64df pa 0x0000000087f59000
.. .. ..19: pte 0x0000000021fd601f pa 0x0000000087f58000
..255: pte 0x0000000021fdd001 pa 0x0000000087f74000
.. ..511: pte 0x0000000021fdcc01 pa 0x0000000087f73000
.. .. ..510: pte 0x0000000021fd90c7 pa 0x0000000087f64000
.. .. ..511: pte 0x0000000020001c4b pa 0x0000000080007000
hi

有两次页面错误。

Lazytests and Usertests

这个我觉得有一定难度，如果没有提示的话很难考虑这么仔细。

按照提示一条条来

  • 处理sbrk()参数为负的情况。这个好处理，为负的情况依旧调用growproc处理即可：

    uint64
sys_sbrk(void)
{int addr;int n;struct proc * p = myproc(); if(argint(0, &n) < 0)return -1;addr = myproc()->sz;if(n > 0){p->sz = p->sz + n;}else{if (growproc(n) == -1) {return -1;}}return addr;
}

  • 如果某个进程在高于sbrk()分配的任何虚拟内存地址上出现页错误，则终止该进程：页面错误中断的时候在分配新页面前检查是否高于p->sz。

  • 在fork()中正确处理父到子内存拷贝：这里的拷贝主要指的是uvmcopy，很简单，把这个函数里面前两个panic注释掉或者改成continue即可，因为在父进程中这些页也是没有实际存在的，子进程只要p->sz保持好的父进程一致就可以了。

  • 处理这种情形：进程从sbrk()向系统调用（如read或write）传递有效地址，但尚未分配该地址的内存。这个是最难的，我们可以发现read或write的系统调用最终用的是copyout或者copyin，而这两者在walkaddr中如果找的是还没有实际分配页面的地址，那么发挥的物理地址就是0，从而系统调用返回-1，系统调用失败，在这个过程中并没有产生页面错误直接失败了，所以不会进入陷阱机制处理页面错误。所以要处理这种情况的话我们就要在walkaddr里面直接把没有实际分配的页面分配了，就像在trap中处理页面错误一样。

  • 正确处理内存不足：如果在页面错误处理程序中执行kalloc()失败，则终止当前进程。：如果kalloc返回的是0，则终止进程。

  • 处理用户栈下面的无效页面上发生的错误。如果虚拟地址va小于了用户栈，说明访问了不该访问的内存，终止进程。

综上，我们可以在vm.c里面写一个函数来分配映射lazy allocation的页面，如下：

// 注意：如果要在vm.c中使用proc结构体及其字段，要先加上"spinlock.h"，再加上"proc.h"
int lazyalloc(uint64 va) {struct proc *p = myproc();// 如果高于sbrk的地址或者低于用户栈地址，终止进程if (va >= p->sz || va <= PGROUNDDOWN(p->trapframe->sp)) {return -1;}// printf("page fault:%p\n", va);uint64 begin = PGROUNDDOWN(va);pagetable_t pagetable = p->pagetable;char *mem = kalloc();if(mem == 0){return -1;}memset(mem, 0, PGSIZE);if(mappages(pagetable, begin, PGSIZE, (uint64)mem, PTE_W|PTE_X|PTE_R|PTE_U) != 0){kfree(mem);return -1;}return 0;
}
// 需要在defs.h中加上这个函数的声明才能在其他地方使用这个函数

然后usertrap和walkaddr中调用这个函数

// usertrap
else if (r_scause() == 13 || r_scause() == 15) {uint64 va = r_stval();if (lazyalloc(va) == -1) {p->killed = 1;}}

uint64
walkaddr(pagetable_t pagetable, uint64 va)
{pte_t *pte;uint64 pa;if(va >= MAXVA)return 0;pte = walk(pagetable, va, 0);if(pte == 0 || (*pte & PTE_V) == 0) {if (lazyalloc(va) == -1) {return 0;} else {pte = walk(pagetable, va, 0);}}//   return 0;// if((*pte & PTE_V) == 0)//   return 0;if((*pte & PTE_U) == 0)return 0;pa = PTE2PA(*pte);return pa;
}

如果运行时出现了panic，把相应地方注释掉或者改为continue即可。

运行lazytests

$ lazytests
lazytests starting
running test lazy alloc
test lazy alloc: OK
running test lazy unmap
test lazy unmap: OK
running test out of memory
test out of memory: OK
ALL TESTS PASSED

运行usertests，可以看到所有测试通过，如果walkaddr编写的有问题的话，sbrkarg不会通过。

总结

这个实验总的来说我觉得还是比lab3简单一点，最需要注意的就是最后一个中关于系统调用涉及到lazy allocation不会触发页面错误需要手动编写代码来分配页面。

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