[MIT6.S081]Lab3: Page Tables

Lab: page tables (mit.edu) (opens new window)

1、Speed up system calls

这个 assignment 中我们要为 getpid 这个系操作加快速度，因为系统调用需要我们保存上下文，还要从用户态切换到内核态，因此会损耗很多时间。于是我们为每个进程新分配了一个页，其虚拟地址位于 USYSCALL，就在 TRAPFRAME 的下面，并且在这个页的开头用 struct usyscall 保存了进程的 pid。

我们先要在 proc.h 中添加一个 struct usyscall 类型的变量

struct usyscall *usyscall;

接着我们在 proc.c 中进行我们的操作，我们先要在进程初始化的时候，去分配一个新页，并将进程的 pid 赋值给 usyscall，在 allocproc 中加入

if((p->usyscall = (struct usyscall *)kalloc()) == 0){
  freeproc(p);
  release(&p->lock);
  return 0;
}
p->usyscall->pid = p->pid;

之后我们在 proc_pagetable 中添加映射

if (mappages(pagetable, USYSCALL, PGSIZE, (uint64)(p->usyscall), PTE_R | PTE_U) < 0){
  uvmunmap(pagetable, TRAMPOLINE, 1, 0); 
  uvmunmap(pagetable, TRAPFRAME, 1, 0);
  uvmfree(pagetable, 0);
  return 0;
}

可以直接模仿着 trapframe 的写法，需要注意的是如果映射失败的话在解除映射时要把 TRAMPLINE 和 TRAPFRAME 也解除了。

接着在释放 page 的时候我们也要接触和 USYSCALL 的映射

void proc_freepagetable(pagetable_t pagetable, uint64 sz) {
  uvmunmap(pagetable, TRAMPOLINE, 1, 0);
  uvmunmap(pagetable, TRAPFRAME, 1, 0);
  uvmunmap(pagetable, USYSCALL, 1, 0);
  uvmfree(pagetable, sz);
}

还有释放进程的时候也要把分配的空间回收了，在 freeproc 中加入

if (p->usyscall) {
  kfree((void *)p->usyscall);
}
p->usyscall = 0;

最后还有要注意的一点，也是我找了半天的问题，就是在我们要在调用 proc_pagetable 来为进程创建用户页表之前分配 page 给 usyscall，不然没法正确的添加映射，毕竟 page 都没分配，怎么映射。

2、Print a page table

这个就比较简单了，要在 exec.c return argc 之前打印 pid = 1 的进程页表。

我们先在 exec.c return 前添加函数

if (p->pid == 1) {
	vmprint(p->pagetable);
}

return argc; // this ends up in a0, the first argument to main(argc, argv)

将 vmprint 函数进行声明，在 defs.h 中

void vmprint(pagetable_t);

之后我们在 vm.c 中实现该函数，

根据 hints，我们可以仿照函数 freewalk 来写，显然那我们需要用到递归。

我们先打印不需要加入递归的第一行，之后调用另外实现的递归打印函数即可。

void vmprint(pagetable_t pagetable) {
  printf("page table %p\n", pagetable);
  recprint(pagetable, 1);
}

recprint 函数传递了两个参数，一个是 pagetable_t，还有一个便是递归的层数，因为我们要通过打印 .. 来表示我们在树中的深度。

void recprint(pagetable_t pagetable, int cnt) {
  for (int i = 0; i < 512; i++) { // 遍历页表
    pte_t pte = pagetable[i]; // 取出 PTE
    if (pte & PTE_V) { // 如果是合法的，则需要打印，先打印 层数 - 1 个 ".. "，带有空格！而最后一个没有空格。
      for (int j = 0; j < cnt - 1; j++) {
        printf(".. ");
      }
      printf("..%d: pte %p pa %p\n", i, pte, PTE2PA (pte)); // 打印最后的 .. 和相关的信息，调用了 riscv.h 中的 PTE2A 函数
      if ((pte & (PTE_R|PTE_W|PTE_X)) == 0) { // 如果不是叶子，则需要继续递归打印下去，只有叶子才有这些标志位
        recprint((pagetable_t)PTE2PA(pte), cnt + 1);
      }
    }
  }
}

具体看代码注释就好了。

3、Detecting which pages have been accessed

这个 assignment 也比较简单，首先我们根据 riscv 的手册，可以知道 PTE_A 位于 1L << 6 处

因此我们在 riscv.h 中添加定义

#define PTE_A (1L << 6) // whether have been accessed

之后我们直接在 sysproc.c 中实现即可

#ifdef LAB_PGTBL
int
sys_pgaccess(void)
{
  // lab pgtbl: your code here.
  uint64 va;
  int len;
  uint64 des_addr;
  if (argaddr(0, &va) < 0)
    return -1;
  if (argint(1, &len) < 0)
    return -1;
  if (argaddr(2, &des_addr) < 0)
    return -1;
  
  int res = 0;
  for (int i = 0; i < len; i++) {
    if (va >= MAXVA) {
      return -1;
    }
    pte_t *pte = walk(myproc()->pagetable, va, 0);
    if (*pte == 0) return -1;
    if (*pte & (PTE_A)) {
      res |= (1 << i);
      *pte &= (~PTE_A);
    } 
    va += PGSIZE;  
  }

  if (copyout(myproc()->pagetable, des_addr, (char *)&res, sizeof(res)) < 0) {
    return -1;
  };

  return 0;
}
#endif

首先要保证虚拟地址是合法的，也就是 va < MAXVA

接着我们每次用 walk 取出 va 对应的 PTE，记得要用指针，因为后面要修改 PTE。

res |= (1 << i); 用来表示保存答案，*pte &= (~PTE_A); 表示将 PTE_A 标志位置为 0。

最后再用 copyout 将答案传到用户态即可。

实验结果