Lab 3: page tables

环境配置

将xv6 代码切换到pgtbl 分支并初始化

$ git fetch
$ git checkout pgtbl
$ make clean

一、加速系统调用（难度：easy）

在内核和用户态之间创建一个共享的只读页，是用户态能够直接读取内核态写入的数据，从而加速系统调用。这里的页指页表中用户态和内核态均可读的一个 PTE，其指向一块物理内存。

1、基本原理

用户态是不能直接读取内核态的数据，而是要通过系统调用。如果创建一个可读 PTE 指向一块内存，该 PTE 是用户态和内核态共享的，那么用户态就可以直接读取这块内核数据，而无需经过复杂的系统调用。为每一个进程多分配一个虚拟地址位于 USYSCALL 的页，然后这个页的开头保存一个 usyscall 结构体，结构体中存放这个进程的 pid。

2、具体实现

• USYSCALL 页是独立于进程页表的一个页，把定义加到kernel/proc.h 的proc 结构体中：

  struct proc{
      ...
      struct usyscall *usyscall;  // to spped up user's syscall
      ...
  }

• 在kernel/proc.c 中初始化该页，在allocproc 函数中分配usyscall 结构体，并将进程号写入结构体中

  static struct proc * allocproc(void){
      ...
  found:
      ...
      // allocate a syscall page
      if ((p->usyscall = (struct usyscall *)kalloc()) == 0) {
          freeproc(p);
          release(&p->lock);
          return 0;
      }
      // An empty user page table.
      p->pagetable = proc_pagetable(p);
      ...
      p->usyscall->pid = p->pid;
      return p;
  }

• 由于用户态寻址的时候都要经过页表硬件的翻译，所以usyscall 也要映射在进程的pagetable 上，在proc_pagetable() 中加入映射逻辑：

  pagetable_t proc_pagetable(struct proc *p){
      ...
      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;
      }
      return pagetable;
  }

• 在进程回收时，需要将该页一起回收

  static void freeproc(struct proc *p)
  {
      ...
      if (p->usyscall)
          kfree((void *)p->usyscall);
      p->usyscall = 0;
      ...
  }

• 解除页表中的映射

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

二、打印页表（难度：easy）

实现一个内核函数 vmprint，其接收一个 pagetable，能够将其中所有的可用 PTE 的信息全部打印出来。

1、解题思路

递归遍历页表，碰到有效的就遍历进下一层页表

2、具体实现

• 在kernel/vm.c 中新增页表打印函数

  void vmprint_kenel(pagetable_t pagetable, int level)
  {
      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);
  
              for (int k = 0; k < level; k++)
              {
                  printf(" ..");
              }
              printf("%d: pte %p pa %p\n", i, pte, child);
  
              if (level < 3)
              {
                  vmprint_kenel((pagetable_t)child, level + 1);
              }
          }
      }
  }
  
  void vmprint(pagetable_t pagetable)
  {
      printf("page table %p\n", pagetable);
      vmprint_kenel(pagetable, 1);
  }

• 在kernel/defs.h 函数中声明vmprint 函数

    ...
  // vm.c
  void vmprint(pagetable_t);
    ...

• 为了启动内核时打印页表，在kernel/exec.c 中的exec 函数中加入以下内容

    ...
  if (p->pid == 1)
      vmprint(p->pagetable);
  return argc; // this ends up in a0, the first argument to main(argc, argv)
    ...

三、检测页面是否访问（难度：hard）

实验要求实现一个系统调用 sys_pgaccess，其会从一个虚拟地址对应的 PTE 开始，往下搜索一定数量的被访问（read/write）过的页表，并把结果通过 mask 的方式返回给用户。每当 sys_pgacess 调用一次，页表被访问标志就要清 0。

1、解题思路

该题的关键是要解决两个问题：怎么知道哪些页表被访问了、怎么通过虚拟地址依次遍历后续 PTE？

• 怎么知道哪些页表被访问了?
  • 检查页表中的PTE_A 标识位。该位被置 1 则说明被访问过，该位被置 0 则说明没被访问过。
  • 置位操作有硬件完成，无需我们考虑。但是，硬件只能做到置位，无法做到复位。因此每次 sys_pgacess 时要手动将 PTE_A 复位 0。
• 怎么通过虚拟地址依次遍历后续 PTE?
  • 首先，通过 walk 可得到虚拟地址对应的 PTE
  • 其次，PTE 是连续的，那么对应的虚拟地址也应是连续的
  • 最后，一个 PTE 大小为 PGSIZE，因此只要将虚拟地址按 PGSIZE 累加即可得到后续的 PTE

PTE_A 的值在第 6 位。

2、具体实现

• 在 kernel/riscv.h 中加入PTE_A 的宏定义

  #define PTE_A (1L << 6) // 1 -> have accessed

• 在 kernel/sysproc.c 中完善 sys_pgaccess 函数

  #ifdef LAB_PGTBL
  uint64 sys_pgaccess(void) {
      // lab pgtbl: your code here.
      // get argument
      uint64 buf;
      int number;
      uint64 ans;
      if (argaddr(0, &buf) < 0) return -1;
      if (argint(1, &number) < 0) return -1;
      if (argaddr(2, &ans) < 0) return -1;
      return pgaccess((void*)buf, number, (void*)ans);
  }
  #endif

• 在kernel/proc.c 中 新增 pgaccess 函数，用于具体实现页的访问

  uint64 pgaccess(void *addr, int n, void *buf)
  {
      struct proc *p = myproc();
      if (p == 0)
          return 1;
      pagetable_t pagetable = p->pagetable;
      int ans = 0;
      for (int i = 0; i < n; i++)
      {
          pte_t *pte;
          pte = walk(pagetable, (uint64)addr + (uint64)PGSIZE * i, 0);
          if (pte && ((*pte) & PTE_A))
          {
              ans |= 1 << i;
              (*pte) ^= PTE_A;
          }
      }
      return copyout(pagetable, (uint64)buf, (char *)&ans, sizeof(int));
  }

• 在kernel/defs.h 中加入pgaccess 函数声明

  uint64 pgaccess(void *addr, int n, void *buf);

实验结果