MIT 6.S081 2020 Lab2 system calls 个人全流程

零、写在前面

警钟长鸣：记得切换分支先

完整代码见：https://github.com/58164/MIT6.S081/tree/syscall

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一、System call tracing

1.1 介绍

• 这个任务要求你添加一个tracing 系统调用，来帮你在后续lab中进行debug。

• 它接收一个int 类型的参数 mask，每一位都代表一个系统调用， 1 代表追踪，0则反之。

• 在 kernel/syscall.h中我们可以看到每一个二进制位对应的系统调用

  • 

• 在系统调用返回值的时候你应该打印一行，包含如下信息：

  • pid 系统调用名 返回值

• trace 系统调用可以跟踪调用它的进程以及它后续fork的子进程。

为了说明，这里贴一个实例：

$ trace 32 grep hello README
3: syscall read -> 1023
3: syscall read -> 966
3: syscall read -> 70
3: syscall read -> 0
$

解释：

• 跟踪 32 号系统调用（对应的是read）
• grep 是linux下常用的 根据正则表达式搜索并打印匹配的文本行的指令，这里是在README文件中搜索hello
• 这里即 在grep 运行过程中打印出 read 系统调用的调用情况
• 如果把 32换成 2147583647 ((1 << 31) - 1)，即追踪所有系统调用

官网的一些hints：

• 添加 $U/_trace 到 Makefile 的UPROGS中
• 运行 make qemu，你会看到编译器无法编译 user/trace.c，因为用户态系统调用的存根（stub）尚不存在：需要在 user/user.h 中添加系统调用的函数声明，在 user/usys.pl 中添加定义，并在 kernel/syscall.h 中添加对应的系统调用号。Makefile 会调用 Perl 脚本 user/usys.pl，该脚本生成 user/usys.S，即实际的系统调用存根，它使用 RISC-V 的 ecall 指令进入内核。修复完编译问题后，运行 trace 32 grep hello README；此时会失败，因为你尚未在内核中实现该系统调用。
• 在 kernel/sysproc.c 中添加 sys_trace() 函数，通过在结构体 proc 中添加新的变量来保存该系统调用的参数，从而实现新的系统调用。用于从用户态获取调用参数的函数位于kernel/syscall.c，然后你可以在 kernel/sysproc.c中看到他们的使用示例。
• 修改 fork 系统调用来把trace的mask 拷贝到子进程。
• 修改 kernel/syscall.c 中的 syscall() 来打印trace 的输出。你需要添加一个系统调用名称数组来以便索引使用。

1.2 流程

1、添加trace系统调用的存根(stub)

先在 kernel/syscall.h 中添加一个系统调用号，这里设为22

然后在 kernel/syscall.c 增加 trace() 的全局函数声明，并且，在 syscalls 这个函数指针数组中增加 sys_trace() 和 SYS_trace 的映射关系。

接着在 user/usys.pl 中，添加 trace 的跳板函数。

当然补药忘了在 user/user.h 声明 trace()

2、在进程控制块中添加trace 的mask

kernel/proc.h 的 proc 结构体中添加 systrace 字段，作为trace 的 mask，记录追踪哪些系统调用。

3、trace 功能的实现

在 kernel/sysproc.c 中，添加 sys_trace() 函数

uint64 
sys_trace(void) {int mask;argint(0, &mask);myproc()->systrace = mask;return 0;
}

关于 argint：

argint 是 xv6 内核中用来从用户栈中提取第 n 个 32 位整型系统调用参数的函数。

• xv6 内核中共有8个参数寄存器 a0 - a7，其中 a7 保存的是系统调用号。寄存器一般保存的是调用 syscall 时传入的参数。

函数原型

int argint(int n, int *ip);

返回值

• 成功时返回 0，并通过 *ip 存放提取到的参数值。
• 失败时返回 -1（例如参数地址越界）

参数

• n：要获取的第 n 个参数（从 0 开始）。
• ip：指向整型变量的指针，用于接收提取出的参数值。

在 kernel/syscall.c 中，我们添加相关打印的代码：

系统调用名称表：

打印代码：

4、systrace字段的清空

进程控制块proc 回收后的释放函数中，我们需要添加对于 systrace 字段的清空逻辑，即 systrace = 0。

在 kernel/proc.c 中的 freeproc 中修改：

5、子进程对于父进程systrace的继承

这是官网 明确要求的，所以我们在fork中添加对应逻辑：

同样在 kernel/proc.c 中

**6、在MakeFile 中添加 $U/_trace\ **

运行结果

root@LAPTOP-292TJJC6:~/xv6-labs-2021# ./grade-lab-syscall trace
make: 'kernel/kernel' is up to date.
== Test trace 32 grep == trace 32 grep: OK (2.9s)
== Test trace all grep == trace all grep: OK (1.0s)
== Test trace nothing == trace nothing: OK (0.9s)
== Test trace children == trace children: OK (9.9s)
root@LAPTOP-292TJJC6:~/xv6-labs-2021#

我们可以在qemu中也跑一下：

$ trace 32 grep hello README
3: syscall read -> 1023
3: syscall read -> 966
3: syscall read -> 70
3: syscall read -> 0
$ trace 2147483647 grep hello README
4: syscall trace -> 0
4: syscall exec -> 3
4: syscall open -> 3
4: syscall read -> 1023
4: syscall read -> 966
4: syscall read -> 70
4: syscall read -> 0
4: syscall close -> 0
$ grep hello README
$ trace 2 usertests forkforkfork
usertests starting
6: syscall fork -> 7
test forkforkfork: 6: syscall fork -> 8
8: syscall fork -> 9
9: syscall fork -> 10
9: syscall fork -> 11
9: syscall fork -> 12
10: syscall fork -> 13
9: syscall fork -> 14
10: syscall fork -> 15
9: syscall fork -> 16
9: syscall fork -> 17
12: syscall fork -> 18
10: syscall fork -> 19
10: syscall fork -> 20
9: syscall fork -> 21
10: syscall fork -> 22
10: syscall fork -> 23
10: syscall fork -> 24
10: syscall fork -> 25
10: syscall fork -> 26
9: syscall fork -> 27
9: syscall fork -> 28
9: syscall fork -> 29
12: syscall fork -> 30
12: syscall fork -> 31
9: syscall fork -> 32
10: syscall fork -> 33
10: syscall fork -> 34
9: syscall fork -> 35
9: syscall fork -> 36
9: syscall fork -> 37
10: syscall fork -> 38
9: syscall fork -> 39
9: syscall fork -> 40
9: syscall fork -> 41
9: syscall fork -> 42
10: syscall fork -> 43
10: syscall fork -> 44
10: syscall fork -> 45
10: syscall fork -> 46
10: syscall fork -> 47
10: syscall fork -> 48
10: syscall fork -> 49
10: syscall fork -> 50
10: syscall fork -> 51
11: syscall fork -> 52
11: syscall fork -> 53
11: syscall fork -> 54
9: syscall fork -> 55
10: syscall fork -> 56
10: syscall fork -> 57
9: syscall fork -> 58
10: syscall fork -> 59
10: syscall fork -> 60
10: syscall fork -> 61
10: syscall fork -> 62
10: syscall fork -> 63
10: syscall fork -> 64
9: syscall fork -> 65
9: syscall fork -> 66
10: syscall fork -> 67
10: syscall fork -> 68
9: syscall fork -> -1
10: syscall fork -> -1
11: syscall fork -> -1
OK
6: syscall fork -> 69
ALL TESTS PASSED

7、为什么没有添加trace的定义也能跑？

因为 perl 脚本 usys.pl，编译期间执行脚本生成usys.S` 文件并将 trace 的实现存放其中，也就是说，我们没有trace的C语言实现反而由脚本自动生成其汇编实现。

usys.S：

关于 ecall

• RISC-V 中的“陷入” 指令，用于 用户态 向 内核态的转变。

sys.s 把宏 SYS_trace 保存在寄存器a7当中，然后执行 ecall 进入kernel mode并跳转到 syscall.c 的 syscall 函数。syscall 从a7读出宏SYS_trace至变量num，syscalls[num] 调了函数sys_trace，并把sys_trace的返回值保存在寄存器a0并返回，usys.S在 ecall 后顺序执行ret返回，至此trace函数得到返回值，一次system call结束。

二、Sysinfo

2.1 介绍

在该作业中，你需要添加一个 sysinfo 系统调用，用于收集系统运行时信息。这个系统调用接收一个参数：一个 struct sysinfo 的指针。内核填充该结构体的字段：

• freemem：设置为空闲内存的字节数
• nproc：设置为 状态不是 UNUSED 的进程数
• 提供的 sysinfotest 程序用来测试，如果你通过了，那么会打印：“sysinfotest: OK”.

官网的一些hints：

• 添加 $U/_sysinfotest 到 Makefile 的 UPROGS
• 运行 make qemu 会编译失败。需要和前一个作业一样，在 user/user.h 中声明 sysinfo()，当然也要在该函数前面添加 sysinfo 的声明
• sysinfo 需要把 struct sysinfo 拷贝回 用户空间，你可以在 kernel/sysfile.c 的 sys_fstat() 和 kernel/file.c 的 filestat() 中来查看关于如何使用 copyout() 的示例
• 为了得到空闲内存数目，在 kernel/kalloc.c 中添加一个函数
• 为了得到已使用进程数目，在 kernel/proc.c 中添加一个函数

2.2 流程

1、获取空闲内存数

在 defs.h 中添加 kFreeMemNum() 函数声明，用于获取空闲内存数目

在 kalloc.c 中实现 kFreeMemNum

uint64 kFreeMemNum(void) {acquire(&kmem.lock);uint64 res = 0;struct run *r = kmem.freelist;while (r) {res += PGSIZE;r = r->next;}release(&kmem.lock);return res;
}

• 值得一提的是，内存块链的管理采用了侵入式链表，这也是操作系统内核中应用非常广泛的一种链表组织，将数据和结构解耦合并且拥有更好的内存友好性。

2、获取已使用进程数

在 defs.h 中添加 kProcCnt() 函数声明，用于获取已使用的进程数目

在 proc.c 中实现 kProcCnt

uint64 kProcCnt(void) {struct proc *p;uint64 res = 0;for (p = proc; p < &proc[NPROC]; p++) {res += p->state != UNUSED ? 1 : 0;}return res;
}

3、实现 sysinfo

和上一个作业一样，先去把存根添加下。

kernel/syscall.h 中添加系统调用号：

kernel/syscall.h 中添加 sys_sysinfo 的函数声明，同时记录到 调用表和调用名称表

//...
extern uint64 sys_sysinfo(void);static uint64 (*syscalls[])(void) = {
//...
[SYS_sysinfo]   sys_sysinfo, // here
};// name for syscall
const char *syscall_names[] = {// ...[SYS_sysinfo]   "sysinfo",
};
//...

user/usy.pl 中添加跳板函数

user/user.h 中添加 结构体sysinfo 的声明以及 sysinfo 的函数声明

然后在kernel/sysproc.c中 添加 sys_sysinfo 的实现

• 从参数寄存器a0读取用户传入地址
• 创建 sysinfo 结构体 s
• 填写 s 的字段
• 拷贝到进程页表的addr处

uint64 sys_sysinfo(void) {uint64 addr;// 从 参数寄存器a0 读取用户传入地址if(argaddr(0, &addr) < 0)return -1;struct sysinfo s;s.freemem = kFreeMemNum();s.nproc = kProcCnt();// copyout 从 s 处的 sizeof(s) 字节拷贝到 指定页表的虚拟内存 addr处if(copyout(myproc()->pagetable, addr, (char *)&s, sizeof(s)) < 0)return -1;return 0;
}

然后在makefile 中添加 $U/_sysinfotest\

我们在qemu 中运行下：

xv6 kernel is bootinghart 1 starting
hart 2 starting
init: starting sh
$ sysinfotest
sysinfotest: start
sysinfotest: OK
$

测试脚本：

root@LAPTOP-292TJJC6:~/xv6-labs-2021# ./grade-lab-syscall sysinfo
make: 'kernel/kernel' is up to date.
== Test sysinfotest == sysinfotest: OK (2.1s)(Old xv6.out.sysinfotest failure log removed)
root@LAPTOP-292TJJC6:~/xv6-labs-2021#