《操作系统真象还原》调试总结篇
文章目录
- 前言
- 第11章调试
- 我们操作系统目前的内存管理现状
前言
上一章结尾调试还没有完成，本章开始前需要先完成上一章代码的调试。
总的来说，我们的操作系统目前有三大块内容：线程-进程内容、内存管理内容、中断内容。当然这三部分肯定不可能是独立的，线程切换需要时钟中断实现，线程创建需要向内存管理申请内存，等等。我只是暂时分块方便梳理。
第11章调试
分析上章结尾的截图，发现数字一直是0，可能是用户进程没有成功创建，进程通过线程创建，我们先确认线程有无问题。
注释掉创建进程的两行代码，系统运行正常，那么我们的多线程应该没有问题。
调试了一下，发现有这么一个运行结果
这行哨兵是：ASSERT(pthread != NULL);
分析一下，数字不变，说明用户进程没有正常运行。两个线程切换正常，但是在某种情况下，pthread==NULL。process_activate只在schedule中调用过，传进来的参数应该是下一个线程/进程next，说明有一次传参失败。在ab线程切换的时候少打印了一个空格，也需要注意
next的来源是就绪队列的队头，正好之前写过相应的测试函数，我们调用一下，看看什么是怎么个情况
这是一次调试过程，不过无果，贴出来吧
<bochs:2> info tab
cr3: 0x00000021a000
0xbffff000-0xbfffffff -> 0x000008100000-0x000008100fff
0xc0000000-0xc00fffff -> 0x000000000000-0x0000000fffff
0xc0100000-0xc0133fff -> 0x000000200000-0x000000233fff
0xffeff000-0xffefffff -> 0x000000234000-0x000000234fff
0xfff00000-0xffffefff -> 0x000000101000-0x0000001fffff
0xfffff000-0xffffffff -> 0x00000021a000-0x00000021afff
<bochs:3> info gdt
Global Descriptor Table (base=0xc0000903, limit=55):
GDT[0x0000]=??? descriptor hi=0x00000000, lo=0x00000000
GDT[0x0008]=Code segment, base=0x00000000, limit=0xffffffff, Execute-Only, Non-Conforming, Accessed, 32-bit
GDT[0x0010]=Data segment, base=0x00000000, limit=0xffffffff, Read/Write, Accessed
GDT[0x0018]=Data segment, base=0xc00b8000, limit=0x00007fff, Read/Write, Accessed
GDT[0x0020]=32-Bit TSS (Busy) at 0xc0006340, length 0x0006b
GDT[0x0028]=Code segment, base=0x00000000, limit=0xffffffff, Execute-Only, Non-Conforming, Accessed, 32-bit
GDT[0x0030]=Data segment, base=0x00000000, limit=0xffffffff, Read/Write, Accessed
You can list individual entries with 'info gdt [NUM]' or groups with 'info gdt [NUM] [NUM]'
<bochs:4> sreg
es:0x0033, dh=0x00cff300, dl=0x0000ffff, valid=1Data segment, base=0x00000000, limit=0xffffffff, Read/Write, Accessed
cs:0x0008, dh=0x00cf9900, dl=0x0000ffff, valid=1Code segment, base=0x00000000, limit=0xffffffff, Execute-Only, Non-Conforming, Accessed, 32-bit
ss:0x0010, dh=0x00cf9300, dl=0x0000ffff, valid=31Data segment, base=0x00000000, limit=0xffffffff, Read/Write, Accessed
ds:0x0033, dh=0x00cff300, dl=0x0000ffff, valid=31Data segment, base=0x00000000, limit=0xffffffff, Read/Write, Accessed
fs:0x0033, dh=0x00cff300, dl=0x0000ffff, valid=1Data segment, base=0x00000000, limit=0xffffffff, Read/Write, Accessed
gs:0x0018, dh=0xc0c0930b, dl=0x80000007, valid=1Data segment, base=0xc00b8000, limit=0x00007fff, Read/Write, Accessed
ldtr:0x0000, dh=0x00008200, dl=0x0000ffff, valid=1
tr:0x0020, dh=0xc0808b00, dl=0x6340006b, valid=1
gdtr:base=0xc0000903, limit=0x37
idtr:base=0xc0006180, limit=0x17f
<bochs:5> r
eax: 0xc0101d10 -1072685808
ebx: 0xc0101cfc -1072685828
ecx: 0x00000000 0
edx: 0x00000000 0
esp: 0xc0101cb4 -1072685900
ebp: 0xc0101ccc -1072685876
esi: 0x00000000 0
edi: 0xc0001804 -1073735676
eip: 0xc0002374
eflags 0x00000046: id vip vif ac vm rf nt IOPL=0 of df if tf sf ZF af PF cf
通过上面的信息，分析出了一些疑点：
内存映射相关：是否有内存缺页，cpu是否运行到了没有建立好映射的虚拟地址？用户进程无法正确运行
TSS相关：ESP0是否正确记录？
特权级相关：特权级是否正确切换？我们的cs还在内核态？
调试一上午没有弄出来😡，暂时搁置吧，先刷一下今天的力扣。
2025年5月2日09点18分更新：今天继续调试。给自己设了一个底线，如果今天没有解决这个问题，就先打个补丁暂时略过。
页表信息：
<bochs:17> info tab
cr3: 0x000000218000
0xc0000000-0xc00fffff -> 0x000000000000-0x0000000fffff
0xc0100000-0xc0133fff -> 0x000000200000-0x000000233fff
0xfff00000-0xffffefff -> 0x000000101000-0x0000001fffff
0xfffff000-0xffffffff -> 0x000000218000-0x000000218fff
观察第5行。我们初始的页表结构物理地址基址是0x00100000，这是内核页表结构。我们先创建了一个用户进程，打上断点，发现此时cr3指向0x000000218000，页目录表位置是0x000000218000-0x000000218fff，说明我们给用户进程创建了新的页表结构。说明创建新的内存页的功能正常。
说一下最后发现的问题吧，在loader的库文件boot.inc(是的，第四章的一个小小的参数的不完备)里，有一行宏定义：
PG_US_U equ 100b ;最开始设置的000b，这是修改后的
PG_US_S equ 100b
当时设置的参数错误，花费了我两天时间去调试，其中心酸一言难尽啊。
18点58分，调试成功，运行结果截图：
多的话也不说了，总之就是很累，还好最后问题解决了！！！！！
我们操作系统目前的内存管理现状
简略回顾寻址：
cr3存页目录物理基址，前10位（0xffc00000）用来寻址页目录表
pde页目录项，前20位（0xfffff000）用来寻址页表
pde页表项，前20位用来寻址具体的页
虚拟地址取低12位和pde寻得的页结合，得到最后的物理地址。
先说物理地址：我们的操作系统内核都在物理内存0-4mb（第0个页表覆盖范围，4mb=0x400000），准确的说，在物理内存0-1mb（第0个页表覆盖范围，1mb=0x100000）。
二级页表的结构：一张页目录表在最低地址，后面跟着1k个页表，每个页表1k项。对于我们的系统，那张页目录表的起始位置（基址）是物理地址0x00100000。
在加载内核之前，我们在loader中开启分页模式之前，我们创建了两个页目录项（pde），这两项是页目录表第0项和第768项，它们都指向同一个地址，这个地址就是页目录基址+4000（0x1000），代表的是第0个页表的起始地址。
为什么是0和768？总的而言，我们的页表的排序标准是按虚拟地址从低到高的，虚拟地址0-4gb对应0-1kb页表，也就是0-1k页目录项。
所以，在第0项pde中，记录的物理地址是第0个页表的物理地址，最大可以对应实际的0-4mb物理内存。记录的最大可以对应的虚拟地址是0x00000000-0x003fffff，也就是0-4mb。
同样，768项，记录的物理地址是第0个页表的物理地址，最大可以对应实际的0-4mb物理内存。只是记录的最大可以对应的虚拟地址是0xc0000000-0xc03fffff，也就是3gb–3gb+4mb。
然后，我们额外处理了一个特殊的页目录项：1023项，我们使用被称为递归映射的方法，让页目录表的1023项指向页目录表本身的物理基址。
但是，我们创建的页目录项对应了页表，页表却不一定创建了1k个页表项（pte，用来完整映射4mb内存）。观察我们的loader.s，发现我们随后创建了256个项（覆盖1mb的内内存），现在是：0和768的pde->（不完整的）第0页表->0-1mb物理内存。
然后loader.s创建了第769项-1022项（共256-1-1=254）个页目录项，希望它们对应254个页表，再进一步对应虚拟的3gb-4gb地址（然而实际上没有创建这些页表的页目录，因而后面的对应不成立）。
接着我们开启了内存分页，因而后面所有的内存（地址）默认情况下都是在说虚拟内存。但是需要注意，到现在为止，我们只实现了非常非常短的物理-虚拟映射，事实上，在我们开启分页后，只有0-0x000fffff和0xc0000000-0xc00fffff能完整的走完虚拟-物理完整寻址过程。剩下的虚拟地址无法找到对应的物理地址，出现缺页错误（pf）。
接下来到了我们memory.c文件，第一次编写是在开启内核多线程之前，核心问题是解决为新开辟的线程申请内存的问题。
在这之前我们引入了位图这个结构来管理内存，位图唯一的作用就是指示某段资源是否被使用**（被使用是1，没被使用是0）**。目前我们用它来管理内存（可以管理物理内存或虚拟内存）。我们定义了两个结构体：pool（用来管理物理内存？），virtual_addr（用来管理虚拟内存），它们内部都包含bitmap。
vaddr_get：从用户/内核pool申请虚拟内存页，返回虚拟地址
pde_ptr：得到某个虚拟地址的页目录项指针
pte_ptr：得到某个虚拟地址的页表项指针
palloc：从某个物理内存池申请一页物理内存页，返回物理地址
page_table_add：建立一个物理地址和一个虚拟地址的映射关系，即最终实现虚拟地址-页目录项-页表项-物理地址的关系构建。
malloc_page：完整的分配页过程，包括申请虚拟页，申请物理页，将二者建立映射。最终返回起始虚拟地址
get_kernel_pages：对malloc_page的调用，代表从内核内存池申请内存。这个函数会在创建线程时调用。
以上的函数，目前实现给内核线程分配内存。这部分涉及到的页表还都是内核页表，也就是我们在loader里实现的1mb页表。
然后我们进入到用户进程的研究领域。对于用户进程，有两个主要的问题，一个是特权级切换与任务调度切换的问题，一个是用户进程内存管理的问题。我们这部分研究内存问题。
用户进程的内存管理相比于内核线程，主要是多了一个页表结构问题。相关代码在memory、process、tss三个源文件里面。
memory.c是辅助，下面是用户进程新增的函数。
get_user_page：用户内存池中申请地址。
get_a_page：同样是关联物理地址和虚拟地址，对象是目前运行的进线程。内部区分了内核线程和用户进程，调用了page_table_add。
addr_v2p：获取虚拟地址对应的物理地址。
process.c是核心，内部包含内联汇编，最终完成创建页表的功能。下面是内部函数。
start_process：第一个重要函数。作用就是构建一个用户进程。方法是先完整的初始化一个中断栈，然后通过内联汇编，让cpu执行一次iretw中断返回，这样从0特权级来到3特权级，把这个中断栈中的数据压入到了cpu里面。
其实这个函数严格来说不属于内存管理部分，属于是任务切换部分，我这里顺带提一下。
简单复习内联汇编：基本格式是
指令：输出操作数列表（储存汇编执行后得到的结果）：输入操作数列表（储存给汇编的条件）：破坏的内容。另外涉及到约束和修饰符，不再一一介绍。
page_dir_activate：第二个重要函数。这个是正儿八经的内存管理相关函数，作用是激活页表。同样用了内联汇编，更新cr3寄存器的值。
process_activate：完成激活页表和更新esp。激活页表调用上面的page_dir_activate，更新esp调用update_tss_esp
所谓的激活页表，严格来说是更新cr3寄存器的值，确保了有页目录表基址。但是整个页表结构还没有建立好。
create_page_dir：这个函数用来实际创建用户进程页表结构中的页目录结构，包括三个过程。首先第一步，先从内核内存池？申请一页的内存，这页内存存用户进程的页目录表。然后第二步，把目前页表的页目录表的后256项复制到新申请的内存位置，也就是将新的页表的后1gb虚拟内存映射到内核空间。最后第三步，获取新的页表的页目录基址并返回，并且安排好新的页表的递归映射。
目前，用户进程页表结构中，cr3和页目录表安排的比较合理了，但是页表这个层级是否还不完善？还只有1个页目录项的1个页表的256个页，对应1mb的内存空间。
（如果我没有猜错的话，我们整个操作系统，包括内核和用户进程，应该只会在0-1mb的物理内存上进行。）
内存相关就说这么多吧，文字没有经过润色，病句不少，格式也比较混乱，大家将就着看吧。本来我计划整个操作系统写完后再写总结的，结果为了调试代码提前写了内存部分的总结，那就发出来给大家看看。
户进程页表结构中，cr3和页目录表安排的比较合理了，但是页表这个层级是否还不完善？还只有1个页目录项的1个页表的256个页，对应1mb的内存空间。
（如果我没有猜错的话，我们整个操作系统，包括内核和用户进程，应该只会在0-1mb的物理内存上进行。）
内存相关就说这么多吧，文字没有经过润色，病句不少，格式也比较混乱，大家将就着看吧。本来我计划整个操作系统写完后再写总结的，结果为了调试代码提前写了内存部分的总结，那就发出来给大家看看。