6.S081/6.828: 3 Lab page tables

原创

冰寒火

修改于 2022-11-26 05:02:30

6300

修改于 2022-11-26 05:02:30

文章被收录于专栏：软件设计软件设计

本实验需要掌握内核页表、用户页表的布局，切换原理，初始化过程，遍历逻辑等方面，可以参考xv6源码分析--页表。

一、Speed up system calls

1 问题分析

加速系统调用，希望能够在用户态直接返回，不需要进入内核态，减少上下文切换。

要想实现这样的效果，我觉得需要满足以下条件：

系统调用的返回结果比较简单而且固定不变，是创建进程时就能够确定的字段，比如pid。

用户页表上加一页USYSCALL，并且USYSCALL必须是用户态能够访问的、只读的。

2 代码实现

//memlayout.h
#ifdef LAB_PGTBL
#define USYSCALL (TRAPFRAME - PGSIZE)

struct usyscall {
  int pid;  // Process ID
};
#endif

//1 在proc结构体中增加一个字段
struct usyscall *usyscall;

//2 进程初始化时分配空间并赋值
static struct proc*
allocproc(void)
{
  struct proc *p;

  //...
    
  //Allocate a shared page.
  if((p->usyscall = (struct usyscall *)kalloc()) == 0){
    freeproc(p);
    release(&p->lock);
    return 0;
  }
  p->usyscall->pid=p->pid;

  // An empty user page table.
  p->pagetable = proc_pagetable(p);
    
  //...
  return p;
}
pagetable_t
proc_pagetable(struct proc *p)
{
  pagetable_t pagetable;

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

  return pagetable;
}

//3 释放用户页表时释放空间，跟trapframe一样
static void
freeproc(struct proc *p)
{
  if(p->trapframe)
    kfree((void*)p->trapframe);
  if(p->usyscall)
    kfree((void*)p->usyscall);
  p->trapframe = 0;
  p->usyscall=0;
  
  if(p->pagetable)
    proc_freepagetable(p->pagetable, p->sz);
  p->pagetable = 0;
  p->sz = 0;
  p->pid = 0;
  p->parent = 0;
  p->name[0] = 0;
  p->chan = 0;
  p->killed = 0;
  p->xstate = 0;
  p->state = UNUSED;
}
void
proc_freepagetable(pagetable_t pagetable, uint64 sz)
{
    //移除页表项，但是不能直接释放物理页
  uvmunmap(pagetable, TRAMPOLINE, 1, 0);
  uvmunmap(pagetable, TRAPFRAME, 1, 0);
  uvmunmap(pagetable, USYSCALL, 1, 0);
  uvmfree(pagetable, sz);
}

二、vmprint

1 问题分析

打印pid=1的用户页表，效果如下：

参考freewalk实现。

2 代码实现

void
vmprinthelper(pagetable_t pagetable, int level){
  char *indent;
  if(level==2){
    indent="..";
  }else if(level==1){
    indent=".. ..";
  }else{
    indent=".. .. ..";
  }
  // there are 2^9 = 512 PTEs in a page table.
  for(int i = 0; i < 512; i++){
    pte_t pte = pagetable[i];
    if(pte & PTE_V){
      // this PTE points to a lower-level page table.
      uint64 child = PTE2PA(pte);
      printf("%s%d: pte %p pa %p\n",indent,i,pte,PTE2PA(pte));
      if(level>0){
        vmprinthelper((pagetable_t)child,level-1);
      }
    } 
  }
}
//print user page table
void
vmprint(pagetable_t pagetable){
  printf("page table %p\n",pagetable);
  vmprinthelper(pagetable,2);
}

三、Detecting which pages have been accessed

1 问题分析

添加系统调用pgaccess，用于获取从上次pgaccess到现在，该页面是否被访问过。入参是页面起始地址、页面数量、返回结果地址，出参是这些页面的access状态，一个bit表示一个page的access状态。

通过argint、argaddr获取整数或者地址。
定义一个PTE_A，左移6位。
设置上限，并且进行地址越界判断。
通过copyout向用户页表写入返回结果。

2 copyout

进程从用户态经过trampoline，保存寄存器到tramframe，并将satp设置为内核页表的地址，最后进入内核态。那在内核态如何向用户态写入返回结果呢？进程proc中保存了用户页表最高级目录的物理地址，我们可以将用户页表看成一个数据结构，以软件的形式去访问它，找到对应虚拟地址的物理地址，最后解引用直接将数据写入到物理页。

//从内核将数据拷贝到用户态，采用的是直接解引用，写入到物理内存中的方式，并没有为每个进程维护一个内核页表
int
copyout(pagetable_t pagetable, uint64 dstva, char *src, uint64 len)
{
  uint64 n, va0, pa0;

  while(len > 0){
    va0 = PGROUNDDOWN(dstva);
    pa0 = walkaddr(pagetable, va0);
    if(pa0 == 0)
      return -1;
    n = PGSIZE - (dstva - va0);
    if(n > len)
      n = len;
    memmove((void *)(pa0 + (dstva - va0)), src, n);

    len -= n;
    src += n;
    dstva = va0 + PGSIZE;
  }
  return 0;
}

3 代码实现

#ifdef LAB_PGTBL
int
sys_pgaccess(void)
{
  uint64 startaddr,outaddr;
  int number;
  if(argaddr(0,&startaddr)<0){
    return -1;
  }
  if(argint(1,&number)<0){
    return -1;
  }
  if(argaddr(2,&outaddr)<0){
    return -1;
  }
  return pgaccess(myproc()->pagetable,startaddr,number,outaddr);
}
#endif


//检测startaddr--startaddr+number*PGSIZE这个范围哪些页面，自上次调用pgaccess以来被访问过，
//outaddr是用户态地址，用于返回结果
int pgaccess(pagetable_t pagetable,uint64 startaddr,int number, uint64 outaddr){
  if(pagetable==0 || number>32 ){
    return -1;
  }
  if(outaddr+4>=MAXVA || startaddr+number*PGSIZE>=MAXVA){
    return -1;
  }
  int accessed;
  for (int i = 0; i < number; i++){
    pte_t *pte=walk(pagetable,startaddr+i*PGSIZE,0);
    if(pte!=0 && ((*pte)&PTE_A)){
      accessed|=1<<i;
      *pte^=PTE_A; //清除PTE_A
    }
  }
  return copyout(pagetable,outaddr,(char*)&accessed,sizeof accessed);
}