MIT 6s081 lab10:mmap

Lab:mmap

给xv6添加mmap和munmap功能，将文件映射到进程的地址空间。

添加mmap和munmap的系统调用接口（和前面的实验一样）

在Makefile中添加$U/_mmaptest\

在kernel/syscall.h中添加

#define SYS_mmap   22
#define SYS_munmap 23

在kernel/syscall.c中添加函数声明：

extern uint64 sys_mmap(void);
extern uint64 sys_munmap(void);

系统调用函数指针数组中添加

[SYS_mmap]    sys_mmap,
[SYS_munmap]  sys_munmap,

在user/user.h中添加函数接口

void *mmap(void *addr, int length, int prot, int flags, int fd, int offset);
int munmap(void* addr, int length);

在struct proc中添加字段，用于记录mmap的参数

struct vma
{uint64 addr;int length;int permissions;int flags;int fd;int valid;struct file* f;
};// Per-process state
struct proc {struct spinlock lock;struct file *ofile[NOFILE];  // Open filesstruct inode *cwd;           // Current directorychar name[16];               // Process name (debugging)struct vma VMA[16];
};

实现sys_mmap函数

首先读取函数参数，然后判断一下文件的权限和mmap的传入的权限之间的关系是否合法，提高文件的引用计数，分配对应的进程虚拟地址空间，但不分配实际的物理地址空间，并记录在进程的VMA字段中，用于后续usertrap的使用。

uint64 sys_mmap(void)
{// read paremater//void *mmap(void *addr, int length, int prot, int flags, int fd, int offset);uint64 addr;int length, prot, flags, fd, offset;if(argaddr(0, &addr) || argint(1, &length) < 0 || argint(2, &prot) < 0 || argint(3, &flags) < 0 || argint(4, &fd) < 0 || argint(5, &offset) < 0)return -1;struct proc * p = myproc();// printf("p->id = %d\n", p->pid);struct file* f;if(fd < 0 || fd >= NOFILE || (f = p->ofile[fd]) == 0)return -1;// printf("f->readable = %d\n", f->readable);if(!f->readable) {if((prot & PROT_READ)) return -1;}if(!f->writable) {if((prot & PROT_WRITE) && (flags & MAP_SHARED)) return -1;}filedup(f); // 提升文件的引用计数int found = 0;// 分配一块区域,然后放入对应的VMAaddr = p->sz; if(p->sz + PGROUNDDOWN(length) >= MAXVA) return -1;// printf("debug\n");p->sz += PGROUNDUP(length);// 在进程的VMA表格中插入，后续用于Usertrap时读取参数，用来判断对应是哪个mmap的区间for(int i = 0; i < 16; i++) {if(p->VMA[i].valid == 0) // 说明找到了{p->VMA[i].addr = addr;p->VMA[i].length = length;p->VMA[i].permissions = prot;p->VMA[i].flags = flags;p->VMA[i].fd = fd;p->VMA[i].f = f;found = 1;p->VMA[i].valid = 1;break;}}if(!found) return -1;return addr;
}

修改kernel/trap.c中的usertrap函数

读取发生page fault对应的虚拟地址va，根据这个va去查找进程的VMA数组，找到对应的mmap参数，申请一页物理内存，并从对应文件中读取一页的内容写入物理空间，并根据对应的读写权限，加入页表当中（添加映射）。

// kernel/fs.c
void my_readi(struct vma vma_cur, uint64 pa, uint64 offset, uint64 len)
{ilock(vma_cur.f->ip);// readi(ip, 0, pa, va - vma_cur.addr, PGSIZE); //从文件中读入数据给pareadi(vma_cur.f->ip, 0, pa, offset, len); //从文件中读入数据给paiunlock(vma_cur.f->ip);
}// kernel/trap.c
void
usertrap(void)
{int which_dev = 0;if((r_sstatus() & SSTATUS_SPP) != 0)panic("usertrap: not from user mode");// send interrupts and exceptions to kerneltrap(),// since we're now in the kernel.w_stvec((uint64)kernelvec);struct proc *p = myproc();// save user program counter.p->trapframe->epc = r_sepc();if(r_scause() == 8){// system callif(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((which_dev = devintr()) != 0){// ok}else if (r_scause() == 13 || r_scause() == 15){uint64 va = r_stval(); // get the virtual address that caused the page fault.// printf("page fault, va = %p\n", va); // 首先要根据va去判断，属于哪个VMA，struct proc* p = myproc();struct vma vma_cur;int found = 0;for(int i = 0; i < 16; i++) {if(va >= p->VMA[i].addr && va < p->VMA[i].addr + p->VMA[i].length){vma_cur = p->VMA[i];found = 1;break;}}if(found) {// 分配对应的物理内存char * pa = kalloc(); // alloc physial memory ，分配一页物理内存if(pa == 0){ // 申请失败p->killed = 1; // 杀死进程}memset(pa, 0, PGSIZE); //清空物理内存my_readi(vma_cur, (uint64)pa, va - vma_cur.addr, PGSIZE); // 把数据读到pa中// 物理页映射的时候要注意flaguint64 flag = PTE_U;if(vma_cur.permissions & (PROT_READ)) flag |= PTE_R;if(vma_cur.permissions & (PROT_WRITE)) flag |= PTE_W;// 注意flag if(mappages(p->pagetable, PGROUNDDOWN(va), PGSIZE, (uint64)pa, flag) != 0){ //建立从va下取整开始一页的映射kfree(pa); // 分配失败，释放物理内存p->killed = 1;}}else {p->killed = 1;}...

实现sys_munmap函数

如果flag为MAP_SHARE，那么对于内存的修改要写回文件当中，然后调用uvmunmap，取消所有映射，并释放物理内存，如果释放的是之前mmap的全部空间，要减少文件的引用计数。

uint64 sys_munmap(void)
{// read paremater// int munmap(void* addr, int length);uint64 addr;int length;if(argaddr(0, &addr) || argint(1, &length) < 0)return -1;struct proc * p = myproc();int found = 0;for(int i = 0; i < 16; i++) {if(addr >= p->VMA[i].addr && addr < p->VMA[i].addr + p->VMA[i].length) {found = 1;// 如果有MAP_SHARE标志，那就要写回到文件if(p->VMA[i].flags & MAP_SHARED) {filewrite(p->VMA[i].f, p->VMA[i].addr, p->VMA[i].length)；}// uvmunmapuvmunmap(p->pagetable, addr, PGROUNDDOWN(length) / PGSIZE, 1);// 如果munmap之前的整个mmap的空间，则要减少文件的引用计数if(addr == p->VMA[i].addr && length == p->VMA[i].length) {fileclose(p->VMA[i].f);p->VMA[i].valid = 0;}break;}}if(!found) return -1;return 0;
}

要注意修改uvmunmap函数，将panic(“uvmunmap: not mapped”)改成continue，因为此时可能有未映射的物理页。

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)panic("uvmunmap: not mapped");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;}
}

修改exit

在进程退出的时候，释放之前mmap对应的空间

void
exit(int status)
{struct proc *p = myproc();if(p == initproc)panic("init exiting");// munmap add here for(int i = 0; i < 16; i++) {if(p->VMA[i].valid) {// 如果有MAKE_SHARE标志，那就要写回到文件if(p->VMA[i].flags & (MAP_SHARED)) {filewrite(p->VMA[i].f, p->VMA[i].addr, p->VMA[i].length);}// uvmunmapuvmunmap(p->pagetable, p->VMA[i].addr, PGROUNDDOWN(p->VMA[i].length) / PGSIZE, 1);// 减少文件的引用计数if(p->VMA[i].f)fileclose(p->VMA[i].f);}}// Close all open files.for(int fd = 0; fd < NOFILE; fd++){if(p->ofile[fd]){struct file *f = p->ofile[fd];fileclose(f);p->ofile[fd] = 0;}}...
}

修改fork

拷贝父进程的VMA数组到子进程的VMA数组。

int
fork(void)
{int i, pid;struct proc *np;struct proc *p = myproc();// Allocate process.if((np = allocproc()) == 0){return -1;}// Copy user memory from parent to child.if(uvmcopy(p->pagetable, np->pagetable, p->sz) < 0){freeproc(np);release(&np->lock);return -1;}np->sz = p->sz;np->parent = p;// copy VMA form parent to child, and increase the reference count for a VMAfor(int i = 0; i < 16; i++) {if(p->VMA[i].valid && p->VMA[i].f) {np->VMA[i] = p->VMA[i];filedup(np->VMA[i].f); // 提升文件的引用计数}}...
}

注意要修改uvmcopy函数，将panic(“uvmcopy: page not present”)改成continue，因为此时可能存在未映射的物理页

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");continue;// panic("uvmcopy: page not present");pa = PTE2PA(*pte);flags = PTE_FLAGS(*pte);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;
}

测试

$ make qemu-gdb
(3.8s) 
== Test   mmaptest: mmap f == mmaptest: mmap f: OK 
== Test   mmaptest: mmap private == mmaptest: mmap private: OK 
== Test   mmaptest: mmap read-only == mmaptest: mmap read-only: OK 
== Test   mmaptest: mmap read/write == mmaptest: mmap read/write: OK 
== Test   mmaptest: mmap dirty == mmaptest: mmap dirty: OK 
== Test   mmaptest: not-mapped unmap == mmaptest: not-mapped unmap: OK 
== Test   mmaptest: two files == mmaptest: two files: OK 
== Test   mmaptest: fork_test == mmaptest: fork_test: OK 
== Test usertests == 
$ make qemu-gdb
usertests: OK (94.5s) (Old xv6.out.usertests failure log removed)
== Test time == 
time: OK 
Score: 140/140

改进

[mit6.s081] 笔记 Lab10: Mmap | 文件内存映射 | Miigon’s blog

阅读了大佬的博客，发现其实自己的代码有一些小bug和改进优化的地方。

1、首先是内存分配的位置有问题，应该从高地址向下，本文使用的是从低地址开始，这样可能会和进程使用的地址空间发生冲突。（但测试过程没有这个bug，应该是因为本文修改了uvmunmap和uvmcopy，其实这导致了进程的空间（p->sz）一直在增大，而没有在munmap后减小，换成从高地址向下分配才能解决这个问题）

2、没有特判在mmap的内存中使用munmap时，传入的参数在内存中挖洞的这种错误操作（正确操作应该是内存的前一部分或后一部分），这种错误操作应该直接返回-1

3、对于munmap之前mmap空间的部分内存的情况，这种情况应该及时修改VMA数组的一些参数（start和sz）

4、对于MAP_SHARE的映射，应该在uvmunmap函数中，对PTE有D标志位的页进行判断（代表内存被修改过），并写回磁盘，而本文是粗暴的将全部空间写回磁盘（效率低）

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