Lab2: system calls

预备知识

执行一次系统调用的流程：

USER MODE

step1：系统调用声明

user/user.h：系统调用函数（如 int fork(void))

step2：ecall 进入内核态

user/usys.S（该文件由 user/usys.pl 生成，后续添加函数可以在这里添加）：执行如下命令

 .global fork
 fork:
   li a7, SYS_fork
   ecall
   ret

将系统调用的编号（在kernel/syscall.h中定义)写入a7寄存器
从ecall进入中断处理函数

KERNEL MODE

step3：保存数据并跳转到中断判断函数

kernel/trampoline.S：在uservec中保存寄存器、切换到内核栈、切换栈指针SP等，最后跳转到内核指定的中断判断函数usertrap（在kernel/trap.c中）
- 每一个进程都对应一个状态结构体proc（在kernel/proc.h中定义这个结构体），将数据存储在这里

step4：中断判断函数

kernel/trap.c：中断判断函数usertrap用于处理来自用户态的中断、异常或系统调用，在此处判断是否是系统调用，如果是，则执行响应函数syscall

step5：执行对应的系统调用

kernel/syscall.c：响应函数syscall用于对号入座，根据给出的syscalls表（将系统调用编号与执行函数相对应）获取系统调用类型（系统调用编号从a7寄存器中读取），执行相应的函数（进入kernel/sysproc.c中）；系统调用的返回值传递给了a0，后续会回传给用户态

step6：系统调用函数

kernel/sysproc.c：保存着系统调用的执行函数，如果系统调用有参数，需要用argraw（读取参数本质上是从内存中恢复，见kernel/syscall.c)取出保存的寄存器数据，然后函数最终都将调用相对应的执行函数（在kernel/proc.c中）

step7：系统调用核心功能

kernel/proc.c：这里的函数用于执行核心功能，如创建进程等

添加系统调用需要考虑的地方

在user/user.h中添加系统调用的函数声明，并在user中创建相应的系统调用(*.c文件)（和lab1类似）
在user/usys.pl中添加系统调用项
在kernel/syscall.h添加系统调用的编号
在kernel/syscall.c中的syscalls表中添加映射关系，指出需要执行的函数
在kernel/sysproc.c和kernel/proc.c中实现系统调用的执行函数

Part1：System call tracing

实现功能

添加一个系统调用的trace功能，在命令前输入trace <mask>，能够打印出该命令使用的系统调用
mask = 1 << SYS_name为一个整数，它能够指定跟踪哪个系统调用，SYS_name是来自kernel/syscall.h的一个系统调用号，mask可以等于1 << SYS_name | 1 << SYS_other_name
如果在输入命令时使用trace <mask>，则在使用指定系统调用后应该返回一行包括进程id、系统调用名称和返回值的打印信息
trace要求能够跟踪进程以及进程派生出的子进程，且不影响其他进程

实验提示

在user/user.h、user/usys.pl、kernel/syscall.h添加系统调用以及编号
在kernel/sysproc.c添加一个sys_trace函数实现新的系统调用，并在状态结构体proc中插入一个新的变量（对该进程进行跟踪的mask掩码），系统调用的执行函数参考kernel/sysproc.c
此外需要对kernel/proc.c的fork函数进行修改，因为调用了trace系统调用，会在当前进程状态proc（在kernel/proc.h中）中修改mask掩码的设置，同时每次fork时也需要对相关的子进程同步相关的设置
需要修改kernel/syscall.c下的syscall使其打印追踪信息；为了打印系统调用名称，需要额外创建字符串数组

实验代码

在user/user.h中添加int trace(int);的声明（trace接受一个整型的参数mask）
在user/usys.pl中添加entry("trace");，这是进入内核态的入口
在Makefile中的UPROGS添加_trace
进入内核态，在kernel/syscall.h添加系统调用的编号#define SYS_trace 22
在kernel/syscall.c中添加系统调用的映射extern uint64 sys_trace(void);、[SYS_trace] sys_trace
在kernel/proc.h中的proc中添加int mask
在kernel/sysproc.c中添加进入系统调用的函数

uint64
sys_trace(void){   // 参考sys_wait函数
  uint64 p;
  if(argaddr(0, &p) < 0)   // 获取trace的参数（只有一个）
    return -1;    
  return trace(p);  // 系统调用的执行函数
}

在 kernel/proc.c 实现 trace 的系统调用执行函数（仅仅是进行一个掩码的赋值）

int 
trace(int mask){
  struct proc *p = myproc();
  p->mask = mask;     // 将掩码赋值给结构体的mask 
  return 0;
}

在 kernel/defs.h（这个里面包含了 kernel 中常用函数的原型声明）中加入函数的声明 int trace(int)
在 kernel/proc.c 中的 fork 函数中加一行代码 np->mask = p->mask;，将父进程的 mask 赋值给子进程的 mask
在 kernel/syscall.c 中对 syscall 进行修改，打印追踪信息；并且为了打印系统调用的名称，创建一个字符串数组

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){   // 判断是否有mask输入
      // 打印进程id、系统调用的名称和返回值
      printf("%d: syscall %s -> %d", p->pid, sys_name[num], p->trapframe->a0);   // 这里注意使用的prinrf是因为xv6的kernel中专门定义了一个printf的函数，在Linux内核中只能使用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 为 1<<SYS_read，num 为从 a7 寄存器中读出来的 SYS_read，p->mask >> num 能够将 mask 还原为 SYS_read，如果没有 mask，则不打印

实验感悟

在阅读源码的过程中，看到有些地方涉及到汇编语言，之后要把这块给学习一下，要不然很影响阅读体验
虽然按照系统调用的步骤能把整个流程走下来，但是每个函数以及它们之间的关系实际上还没有特别清楚，需要再进行梳理（将每个函数的作用都搞清楚）
在进行 proc 修改的时候，要考虑到 fork 函数的子进程是否需要复制参数

Part2: Sysinfo

实现功能

添加一个系统调用 sysinfo，通过系统调用将收集正在运行的程序的信息
在这个系统调用中将传入一个结构体指针 sysinfo，结构体定义在 kernel/sysinfo.h 中，其中 freemem 应该设置为空闲内存的字节数，nproc 应该设置为进程状态不为 UNUSED 的进程数

实验提示

在 user/user.h 中声明 sysinfo() 的原型，你需要预先声明结构体 sysinfo 的存在:struct sysinfo;、int sysinfo(struct sysinfo *);
sysinfo 需要将 struct sysinfo 复制回用户空间；参考 sys_fstat() (kernel/sysfile.c) 和 filestat() (kernel/file.c) 学习使用 copyout()
要收集空闲内存量，可以在 kernel/kalloc.c 中添加一个函数
要收集进程数，请在 kernel/proc.c 中添加一个函数

实验代码

在 user/user.h 添加 sysinfo 结构体和函数的声明 struct sysinfo;、int sysinfo(struct sysinfo *);
分别在 user/usys.pl、Makefile、kernel/syscall.h、kernel/syscall.c 执行与上一个实验一样的步骤
在 kernel/kalloc.c 中实现空闲内存大小的查找

uint64 
getfreemen(void){    // 获取空闲内存数量
  struct run *rp;
  uint64 result = 0;
  acquire(&kmem.lock);  // 考虑到并发问题，上锁
  rp = kmem.freelist;
  while(rp){
    result += 1;
    rp = rp->next;
  }
  release(&kmem.lock);
  return result * PGSIZE;   //一个内存页的大小为PGSIZE(4096)
}

在 kernel/proc.c 中实现进程数的统计

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

上述两个步骤都需要在 kernel/defs.h 中添加函数声明

在 kernel/sysproc.c 中实现执行函数 sys_sysinfo 的功能，记得添加 #include "sysinfo.h" 来使用 sysinfo 结构体

uint64   
sys_sysinfo(void){   
  struct sysinfo info;
  struct proc *p;
  uint64 addr;
  if(argaddr(0, &addr) < 0)    // 获取系统的指针参数
    return -1;
  p = myproc();
  info.freemem = getfreemen();
  info.nproc = getproc();
  // 从内核copy到用户
  if(copyout(p->pagetable, addr, (char *)&info, sizeof(info)) < 0)  //参考sys_fstat（在kernel/sysfile.c中）
    return -1;                
  return 0;
}

实验感悟

这个实验实现的内存大小和进程数的统计函数需要了解了 kalloc.c 和 proc.c 的函数后才能写出来，我两个文件看的还不太完全，之后需要再看看
这个实验中也使用了指针，这一块使用还不太熟练，C 语言还需要精进