Lab2: system calls

預(yù)備知識(shí)

執(zhí)行一次系統(tǒng)調(diào)用的流程：

USER MODE

step1：系統(tǒng)調(diào)用聲明

• user/user.h：系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)（如 int fork(void))

step2：ecall 進(jìn)入內(nèi)核態(tài)

• user/usys.S（該文件由 user/usys.pl 生成，后續(xù)添加函數(shù)可以在這里添加）：執(zhí)行如下命令

 .global fork
 fork:
   li a7, SYS_fork
   ecall
   ret

• 將系統(tǒng)調(diào)用的編號(hào)（在kernel/syscall.h中定義)寫(xiě)入a7寄存器
• 從ecall進(jìn)入中斷處理函數(shù)

KERNEL MODE

step3：保存數(shù)據(jù)并跳轉(zhuǎn)到中斷判斷函數(shù)

• kernel/trampoline.S：在uservec中保存寄存器、切換到內(nèi)核棧、切換棧指針SP等，最后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核指定的中斷判斷函數(shù)usertrap（在kernel/trap.c中）
  • 每一個(gè)進(jìn)程都對(duì)應(yīng)一個(gè)狀態(tài)結(jié)構(gòu)體proc（在kernel/proc.h中定義這個(gè)結(jié)構(gòu)體），將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在這里

step4：中斷判斷函數(shù)

• kernel/trap.c：中斷判斷函數(shù)usertrap用于處理來(lái)自用戶態(tài)的中斷、異?；蛳到y(tǒng)調(diào)用，在此處判斷是否是系統(tǒng)調(diào)用，如果是，則執(zhí)行響應(yīng)函數(shù)syscall

step5：執(zhí)行對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用

• kernel/syscall.c：響應(yīng)函數(shù)syscall用于對(duì)號(hào)入座，根據(jù)給出的syscalls表（將系統(tǒng)調(diào)用編號(hào)與執(zhí)行函數(shù)相對(duì)應(yīng)）獲取系統(tǒng)調(diào)用類(lèi)型（系統(tǒng)調(diào)用編號(hào)從a7寄存器中讀取），執(zhí)行相應(yīng)的函數(shù)（進(jìn)入kernel/sysproc.c中）；系統(tǒng)調(diào)用的返回值傳遞給了a0，后續(xù)會(huì)回傳給用戶態(tài)

step6：系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)

• kernel/sysproc.c：保存著系統(tǒng)調(diào)用的執(zhí)行函數(shù)，如果系統(tǒng)調(diào)用有參數(shù)，需要用argraw（讀取參數(shù)本質(zhì)上是從內(nèi)存中恢復(fù)，見(jiàn)kernel/syscall.c)取出保存的寄存器數(shù)據(jù)，然后函數(shù)最終都將調(diào)用相對(duì)應(yīng)的執(zhí)行函數(shù)（在kernel/proc.c中）

step7：系統(tǒng)調(diào)用核心功能

• kernel/proc.c：這里的函數(shù)用于執(zhí)行核心功能，如創(chuàng)建進(jìn)程等

添加系統(tǒng)調(diào)用需要考慮的地方

1. 在user/user.h中添加系統(tǒng)調(diào)用的函數(shù)聲明，并在user中創(chuàng)建相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用(*.c文件)（和lab1類(lèi)似）

2. 在user/usys.pl中添加系統(tǒng)調(diào)用項(xiàng)

3. 在kernel/syscall.h添加系統(tǒng)調(diào)用的編號(hào)

4. 在kernel/syscall.c中的syscalls表中添加映射關(guān)系，指出需要執(zhí)行的函數(shù)

5. 在kernel/sysproc.c和kernel/proc.c中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用的執(zhí)行函數(shù)

Part1：System call tracing

實(shí)現(xiàn)功能

1. 添加一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用的trace功能，在命令前輸入trace <mask>，能夠打印出該命令使用的系統(tǒng)調(diào)用

2. mask = 1 << SYS_name為一個(gè)整數(shù)，它能夠指定跟蹤哪個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，SYS_name是來(lái)自kernel/syscall.h的一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用號(hào)，mask可以等于1 << SYS_name | 1 << SYS_other_name

3. 如果在輸入命令時(shí)使用trace <mask>，則在使用指定系統(tǒng)調(diào)用后應(yīng)該返回一行包括進(jìn)程id、系統(tǒng)調(diào)用名稱和返回值的打印信息

4. trace要求能夠跟蹤進(jìn)程以及進(jìn)程派生出的子進(jìn)程，且不影響其他進(jìn)程

實(shí)驗(yàn)提示

1. 在user/user.h、user/usys.pl、kernel/syscall.h添加系統(tǒng)調(diào)用以及編號(hào)

2. 在kernel/sysproc.c添加一個(gè)sys_trace函數(shù)實(shí)現(xiàn)新的系統(tǒng)調(diào)用，并在狀態(tài)結(jié)構(gòu)體proc中插入一個(gè)新的變量（對(duì)該進(jìn)程進(jìn)行跟蹤的mask掩碼），系統(tǒng)調(diào)用的執(zhí)行函數(shù)參考kernel/sysproc.c

3. 此外需要對(duì)kernel/proc.c的fork函數(shù)進(jìn)行修改，因?yàn)檎{(diào)用了trace系統(tǒng)調(diào)用，會(huì)在當(dāng)前進(jìn)程狀態(tài)proc（在kernel/proc.h中）中修改mask掩碼的設(shè)置，同時(shí)每次fork時(shí)也需要對(duì)相關(guān)的子進(jìn)程同步相關(guān)的設(shè)置

4. 需要修改kernel/syscall.c下的syscall使其打印追蹤信息；為了打印系統(tǒng)調(diào)用名稱，需要額外創(chuàng)建字符串?dāng)?shù)組

實(shí)驗(yàn)代碼

1. 在user/user.h中添加int trace(int);的聲明（trace接受一個(gè)整型的參數(shù)mask）

2. 在user/usys.pl中添加entry("trace");，這是進(jìn)入內(nèi)核態(tài)的入口

3. 在Makefile中的UPROGS添加_trace

4. 進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，在kernel/syscall.h添加系統(tǒng)調(diào)用的編號(hào)#define SYS_trace 22

5. 在kernel/syscall.c中添加系統(tǒng)調(diào)用的映射extern uint64 sys_trace(void);、[SYS_trace] sys_trace

6. 在kernel/proc.h中的proc中添加int mask

7. 在kernel/sysproc.c中添加進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)用的函數(shù)

uint64
sys_trace(void){   // 參考sys_wait函數(shù)
  uint64 p;
  if(argaddr(0, &p) < 0)   // 獲取trace的參數(shù)（只有一個(gè)）
    return -1;    
  return trace(p);  // 系統(tǒng)調(diào)用的執(zhí)行函數(shù)
}

1. 在 kernel/proc.c 實(shí)現(xiàn) trace 的系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行函數(shù)（僅僅是進(jìn)行一個(gè)掩碼的賦值）

int 
trace(int mask){
  struct proc *p = myproc();
  p->mask = mask;     // 將掩碼賦值給結(jié)構(gòu)體的mask 
  return 0;
}

1. 在 kernel/defs.h（這個(gè)里面包含了 kernel 中常用函數(shù)的原型聲明）中加入函數(shù)的聲明 int trace(int)
2. 在 kernel/proc.c 中的 fork 函數(shù)中加一行代碼 np->mask = p->mask;，將父進(jìn)程的 mask 賦值給子進(jìn)程的 mask
3. 在 kernel/syscall.c 中對(duì) syscall 進(jìn)行修改，打印追蹤信息；并且為了打印系統(tǒng)調(diào)用的名稱，創(chuàng)建一個(gè)字符串?dāng)?shù)組

char 
*sys_name[] = {
"",      "fork",  "exit",   "wait",   "pipe",  "read",  "kill",   "exec",
"fstat", "chdir", "dup",    "getpid", "sbrk",  "sleep", "uptime", "open",
"write", "mknod", "unlink", "link",   "mkdir", "close", "trace"
};   

void
syscall(void)
{
  int num;
  struct proc *p = myproc();

  num = p->trapframe->a7;
  if(num > 0 && num < NELEM(syscalls) && syscalls[num]) {
    p->trapframe->a0 = syscalls[num]();  // 返回值
    if(p->mask >> num & 1){   // 判斷是否有mask輸入
      // 打印進(jìn)程id、系統(tǒng)調(diào)用的名稱和返回值
      printf("%d: syscall %s -> %d", p->pid, sys_name[num], p->trapframe->a0);   // 這里注意使用的prinrf是因?yàn)閤v6的kernel中專(zhuān)門(mén)定義了一個(gè)printf的函數(shù)，在Linux內(nèi)核中只能使用prinrk打印
    }
  } else {
    printf("%d %s: unknown sys call %d\n",
            p->pid, p->name, num);
    p->trapframe->a0 = -1;
  }
}

p->mask >> num & 1：p->mask 為 1<<SYS_read，num 為從 a7 寄存器中讀出來(lái)的 SYS_read，p->mask >> num 能夠?qū)?mask 還原為 SYS_read，如果沒(méi)有 mask，則不打印

實(shí)驗(yàn)感悟

1. 在閱讀源碼的過(guò)程中，看到有些地方涉及到匯編語(yǔ)言，之后要把這塊給學(xué)習(xí)一下，要不然很影響閱讀體驗(yàn)
2. 雖然按照系統(tǒng)調(diào)用的步驟能把整個(gè)流程走下來(lái)，但是每個(gè)函數(shù)以及它們之間的關(guān)系實(shí)際上還沒(méi)有特別清楚，需要再進(jìn)行梳理（將每個(gè)函數(shù)的作用都搞清楚）
3. 在進(jìn)行 proc 修改的時(shí)候，要考慮到 fork 函數(shù)的子進(jìn)程是否需要復(fù)制參數(shù)

Part2: Sysinfo

實(shí)現(xiàn)功能

1. 添加一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用 sysinfo，通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用將收集正在運(yùn)行的程序的信息
2. 在這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用中將傳入一個(gè)結(jié)構(gòu)體指針 sysinfo，結(jié)構(gòu)體定義在 kernel/sysinfo.h 中，其中 freemem 應(yīng)該設(shè)置為空閑內(nèi)存的字節(jié)數(shù)，nproc 應(yīng)該設(shè)置為進(jìn)程狀態(tài)不為 UNUSED 的進(jìn)程數(shù)

實(shí)驗(yàn)提示

1. 在 user/user.h 中聲明 sysinfo() 的原型，你需要預(yù)先聲明結(jié)構(gòu)體 sysinfo 的存在:struct sysinfo;、int sysinfo(struct sysinfo *);
2. sysinfo 需要將 struct sysinfo 復(fù)制回用戶空間；參考 sys_fstat() (kernel/sysfile.c) 和 filestat() (kernel/file.c) 學(xué)習(xí)使用 copyout()
3. 要收集空閑內(nèi)存量，可以在 kernel/kalloc.c 中添加一個(gè)函數(shù)
4. 要收集進(jìn)程數(shù)，請(qǐng)?jiān)?kernel/proc.c 中添加一個(gè)函數(shù)

實(shí)驗(yàn)代碼

1. 在 user/user.h 添加 sysinfo 結(jié)構(gòu)體和函數(shù)的聲明 struct sysinfo;、int sysinfo(struct sysinfo *);
2. 分別在 user/usys.pl、Makefile、kernel/syscall.h、kernel/syscall.c 執(zhí)行與上一個(gè)實(shí)驗(yàn)一樣的步驟
3. 在 kernel/kalloc.c 中實(shí)現(xiàn)空閑內(nèi)存大小的查找

uint64 
getfreemen(void){    // 獲取空閑內(nèi)存數(shù)量
  struct run *rp;
  uint64 result = 0;
  acquire(&kmem.lock);  // 考慮到并發(fā)問(wèn)題，上鎖
  rp = kmem.freelist;
  while(rp){
    result += 1;
    rp = rp->next;
  }
  release(&kmem.lock);
  return result * PGSIZE;   //一個(gè)內(nèi)存頁(yè)的大小為PGSIZE(4096)
}

1. 在 kernel/proc.c 中實(shí)現(xiàn)進(jìn)程數(shù)的統(tǒng)計(jì)

int 
getproc(void){
  struct proc *p;
  int result = 0;
  for(p = proc; p < &proc[NPROC]; p++){
    acquire(&p->lock);   //上鎖
    if(p->state != UNUSED){
      result += 1;
    }
    release(&p->lock);
  }
  return result;
}

上述兩個(gè)步驟都需要在 kernel/defs.h 中添加函數(shù)聲明文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-856345.html

1. 在 kernel/sysproc.c 中實(shí)現(xiàn)執(zhí)行函數(shù) sys_sysinfo 的功能，記得添加 #include "sysinfo.h" 來(lái)使用 sysinfo 結(jié)構(gòu)體

uint64   
sys_sysinfo(void){   
  struct sysinfo info;
  struct proc *p;
  uint64 addr;
  if(argaddr(0, &addr) < 0)    // 獲取系統(tǒng)的指針參數(shù)
    return -1;
  p = myproc();
  info.freemem = getfreemen();
  info.nproc = getproc();
  // 從內(nèi)核copy到用戶
  if(copyout(p->pagetable, addr, (char *)&info, sizeof(info)) < 0)  //參考sys_fstat（在kernel/sysfile.c中）
    return -1;                
  return 0;
}

實(shí)驗(yàn)感悟

1. 這個(gè)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的內(nèi)存大小和進(jìn)程數(shù)的統(tǒng)計(jì)函數(shù)需要了解了 kalloc.c 和 proc.c 的函數(shù)后才能寫(xiě)出來(lái)，我兩個(gè)文件看的還不太完全，之后需要再看看
2. 這個(gè)實(shí)驗(yàn)中也使用了指針，這一塊使用還不太熟練，C 語(yǔ)言還需要精進(jìn)

到了這里，關(guān)于MIT6.S081 - Lab2: system calls的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！