MIT-6.828-JOS-lab5:File system, Spawn and Shell

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Lab 5: File system, Spawn and Shell tags: mit 6.828 os 概述 本lab將實現JOS的文件系統，只要包括如下四部分： 1. 引入一個 文件系統進程（FS進程） 的特殊進程，該進程提供文件操作的介面。 2. 建立RPC機制 ，客戶端進程向FS進程發送 ...


Lab 5: File system, Spawn and Shell

tags: mit-6.828 os

概述

本lab將實現JOS的文件系統，只要包括如下四部分：

  1. 引入一個文件系統進程（FS進程）的特殊進程，該進程提供文件操作的介面。
  2. 建立RPC機制，客戶端進程向FS進程發送請求，FS進程真正執行文件操作，並將數組返回給客戶端進程。
  3. 更高級的抽象，引入文件描述符。通過文件描述符這一層抽象就可以將控制台，pipe，普通文件，統統按照文件來對待。（文件描述符和pipe實現原理）
  4. 支持從磁碟載入程式並運行。

File system preliminaries

我們將要實現的文件系統會比真正的文件系統要簡單，但是能滿足基本的創建，讀，寫，刪除文件的功能。但是不支持鏈接，符號鏈接，時間戳等特性。

On-Disk File System Structure

JOS的文件系統不使用inodes，所有文件的元數據都被存儲在directory entry中。
文件和目錄邏輯上都是由一系列數據blocks組成，這些blocks分散在磁碟中，文件系統屏蔽blocks分佈的細節，提供一個可以順序讀寫文件的介面。JOS文件系統允許用戶讀目錄元數據，這就意味著用戶可以掃描目錄來像實現ls這種程式，UNIX沒有採用這種方式的原因是，這種方式使得應用程式過度依賴目錄元數據格式。

Sectors and Blocks

大部分磁碟都是以Sector為粒度進行讀寫，JOS中Sectors為512位元組。文件系統以block為單位分配和使用磁碟。註意區別，sector size是磁碟的屬性，block size是操作系統使用磁碟的粒度。JOS的文件系統的block size被定為4096位元組。

Superblocks

文件系統使用一些特殊的block保存文件系統屬性元數據，比如block size, disk size, 根目錄位置等。這些特殊的block叫做superblocks。
我們的文件系統使用一個superblock，位於磁碟的block 1。block 0被用來保存boot loader和分區表。很多文件系統維護多個superblock，這樣當一個損壞時，依然可以正常運行。
磁碟結構如下：磁碟結構

File Meta-data

我們的文件系統使用struct File結構描述文件，該結構包含文件名，大小，類型，保存文件內容的block號。struct File結構的f_direct數組保存前NDIRECT（10）個block號，這樣對於10*4096=40KB的文件不需要額外的空間來記錄內容block號。對於更大的文件我們分配一個額外的block來保存4096/4=1024 block號。所以我們的文件系統允許文件最多擁有1034個block。File結構如下：File文件結構

Directories versus Regular Files

File結構既能代表文件也能代表目錄，由type欄位區分，文件系統以相同的方式管理文件和目錄，只是目錄文件的內容是一系列File結構，這些File結構描述了在該目錄下的文件或者子目錄。
超級塊中包含一個File結構，代表文件系統的根目錄。

The File System

Disk Access

到目前為止內核還沒有訪問磁碟的能力。JOS不像其他操作系統一樣在內核添加磁碟驅動，然後提供系統調用。我們實現一個文件系統進程來作為磁碟驅動。
x86處理器使用EFLAGS寄存器的IOPL為來控制保護模式下代碼是否能執行設備IO指令，比如in和out。我們希望文件系統進程能訪問IO空間，其他進程不能。

Exercise 1

文件系統進程的type為ENV_TYPE_FS，需要修改env_create()，如果type是ENV_TYPE_FS，需要給該進程IO許可權。
在env_create()中添加如下代碼：

    if (type == ENV_TYPE_FS) {
        e->env_tf.tf_eflags |= FL_IOPL_MASK;
    }

The Block Cache

我們的文件系統最大支持3GB，文件系統進程保留從0x10000000 (DISKMAP)到0xD0000000 (DISKMAP+DISKMAX)固定3GB的記憶體空間作為磁碟的緩存。比如block 0被映射到虛擬地址0x10000000，block 1被映射到虛擬地址0x10001000以此類推。
如果將整個磁碟全部讀到記憶體將非常耗時，所以我們將實現按需載入，只有當訪問某個bolck對應的記憶體地址時出現頁錯誤，才將該block從磁碟載入到對應的記憶體區域，然後重新執行記憶體訪問指令。

Exercise 2

實現bc_pgfault()和flush_block()。
bc_pgfault()是FS進程缺頁處理函數，負責將數據從磁碟讀取到對應的記憶體。可以回顧下lab4。

bc_pgfault(struct UTrapframe *utf)
{
    void *addr = (void *) utf->utf_fault_va;
    uint32_t blockno = ((uint32_t)addr - DISKMAP) / BLKSIZE;
    int r;

    // Check that the fault was within the block cache region
    if (addr < (void*)DISKMAP || addr >= (void*)(DISKMAP + DISKSIZE))
        panic("page fault in FS: eip %08x, va %08x, err %04x",
              utf->utf_eip, addr, utf->utf_err);

    // Sanity check the block number.
    if (super && blockno >= super->s_nblocks)
        panic("reading non-existent block %08x\n", blockno);

    // Allocate a page in the disk map region, read the contents
    // of the block from the disk into that page.
    // Hint: first round addr to page boundary. fs/ide.c has code to read
    // the disk.
    //
    // LAB 5: you code here:
    addr = ROUNDDOWN(addr, PGSIZE);
    sys_page_alloc(0, addr, PTE_W|PTE_U|PTE_P);
    if ((r = ide_read(blockno * BLKSECTS, addr, BLKSECTS)) < 0)
        panic("ide_read: %e", r);

    // Clear the dirty bit for the disk block page since we just read the
    // block from disk
    if ((r = sys_page_map(0, addr, 0, addr, uvpt[PGNUM(addr)] & PTE_SYSCALL)) < 0)
        panic("in bc_pgfault, sys_page_map: %e", r);

    // Check that the block we read was allocated. (exercise for
    // the reader: why do we do this *after* reading the block
    // in?)
    if (bitmap && block_is_free(blockno))
        panic("reading free block %08x\n", blockno);
}

flush_block()將一個block寫入磁碟。flush_block()不需要做任何操作，如果block沒有在記憶體或者block沒有被寫過。可以通過PTE的PTE_D位判斷該block有沒有被寫過。

void
flush_block(void *addr)
{
    uint32_t blockno = ((uint32_t)addr - DISKMAP) / BLKSIZE;
    int r;
    if (addr < (void*)DISKMAP || addr >= (void*)(DISKMAP + DISKSIZE))
        panic("flush_block of bad va %08x", addr);

    // LAB 5: Your code here.
    addr = ROUNDDOWN(addr, PGSIZE);
    if (!va_is_mapped(addr) || !va_is_dirty(addr)) {        //如果addr還沒有映射過或者該頁載入到記憶體後還沒有被寫過，不用做任何事
        return;
    }
    if ((r = ide_write(blockno * BLKSECTS, addr, BLKSECTS)) < 0) {      //寫回到磁碟
        panic("in flush_block, ide_write(): %e", r);
    }
    if ((r = sys_page_map(0, addr, 0, addr, uvpt[PGNUM(addr)] & PTE_SYSCALL)) < 0)  //清空PTE_D位
        panic("in bc_pgfault, sys_page_map: %e", r);
}

fs/fs.c中的fs_init()將會初始化super和bitmap全局指針變數。至此對於文件系統進程只要訪問虛擬記憶體[DISKMAP, DISKMAP+DISKMAX]範圍中的地址addr，就會訪問到磁碟((uint32_t)addr - DISKMAP) / BLKSIZE block中的數據。如果block數據還沒複製到記憶體物理頁，bc_pgfault()缺頁處理函數會將數據從磁碟拷貝到某個物理頁，並且將addr映射到該物理頁。這樣FS進程只需要訪問虛擬地址空間[DISKMAP, DISKMAP+DISKMAX]就能訪問磁碟了。
JOS fs進程虛擬地址空間和磁碟關係

The Block Bitmap

fs_init()中已經初始化了bitmap，我們能通過bitmap訪問磁碟的block 1，也就是位數組，每一位代表一個block，1表示該block未被使用，0表示已被使用。我們實現一系列管理函數來管理這個位數組。

Exercise 3

實現fs/fs.c中的alloc_block()，該函數搜索bitmap位數組，返回一個未使用的block，並將其標記為已使用。

alloc_block(void)
{
    // The bitmap consists of one or more blocks.  A single bitmap block
    // contains the in-use bits for BLKBITSIZE blocks.  There are
    // super->s_nblocks blocks in the disk altogether.

    // LAB 5: Your code here.
    uint32_t bmpblock_start = 2;
    for (uint32_t blockno = 0; blockno < super->s_nblocks; blockno++) {
        if (block_is_free(blockno)) {                   //搜索free的block
            bitmap[blockno / 32] &= ~(1 << (blockno % 32));     //標記為已使用
            flush_block(diskaddr(bmpblock_start + (blockno / 32) / NINDIRECT)); //將剛剛修改的bitmap block寫到磁碟中
            return blockno;
        }
    }
    
    return -E_NO_DISK;
}

File Operations

fs/fs.c文件提供了一系列函數用於管理File結構，掃描和管理目錄文件，解析絕對路徑。
基本的文件系統操作：

  1. file_block_walk(struct File *f, uint32_t filebno, uint32_t **ppdiskbno, bool alloc)：查找f指向文件結構的第filebno個block的存儲地址，保存到ppdiskbno中。如果f->f_indirect還沒有分配，且alloc為真，那麼將分配要給新的block作為該文件的f->f_indirect。類比頁表管理的pgdir_walk()。
  2. file_get_block(struct File *f, uint32_t filebno, char **blk)：該函數查找文件第filebno個block對應的虛擬地址addr，將其保存到blk地址處。
  3. walk_path(const char *path, struct File **pdir, struct File **pf, char *lastelem)：解析路徑path，填充pdir和pf地址處的File結構。比如/aa/bb/cc.c那麼pdir指向代表bb目錄的File結構，pf指向代表cc.c文件的File結構。又比如/aa/bb/cc.c，但是cc.c此時還不存在，那麼pdir依舊指向代表bb目錄的File結構，但是pf地址處應該為0，lastelem指向的字元串應該是cc.c。
  4. dir_lookup(struct File *dir, const char *name, struct File **file)：該函數查找dir指向的文件內容，尋找File.name為name的File結構，並保存到file地址處。
  5. dir_alloc_file(struct File *dir, struct File **file)：在dir目錄文件的內容中尋找一個未被使用的File結構，將其地址保存到file的地址處。

文件操作：

  1. file_create(const char *path, struct File **pf)：創建path，如果創建成功pf指向新創建的File指針。
  2. file_open(const char *path, struct File **pf)：尋找path對應的File結構地址，保存到pf地址處。
  3. file_read(struct File *f, void *buf, size_t count, off_t offset)：從文件f中的offset位元組處讀取count位元組到buf處。
  4. file_write(struct File *f, const void *buf, size_t count, off_t offset)：將buf處的count位元組寫到文件f的offset開始的位置。

Exercise 4

實現file_block_walk()和file_get_block()。
file_block_walk():

static int
file_block_walk(struct File *f, uint32_t filebno, uint32_t **ppdiskbno, bool alloc)
{
    // LAB 5: Your code here.
    int bn;
    uint32_t *indirects;
    if (filebno >= NDIRECT + NINDIRECT)
        return -E_INVAL;

    if (filebno < NDIRECT) {
        *ppdiskbno = &(f->f_direct[filebno]);
    } else {
        if (f->f_indirect) {
            indirects = diskaddr(f->f_indirect);
            *ppdiskbno = &(indirects[filebno - NDIRECT]);
        } else {
            if (!alloc)
                return -E_NOT_FOUND;
            if ((bn = alloc_block()) < 0)
                return bn;
            f->f_indirect = bn;
            flush_block(diskaddr(bn));
            indirects = diskaddr(bn);
            *ppdiskbno = &(indirects[filebno - NDIRECT]);
        }
    }

    return 0;
}

file_get_block():

 int
file_get_block(struct File *f, uint32_t filebno, char **blk)
{
       // LAB 5: Your code here.
        int r;
        uint32_t *pdiskbno;
        if ((r = file_block_walk(f, filebno, &pdiskbno, true)) < 0) {
            return r;
        }

        int bn;
        if (*pdiskbno == 0) {           //此時*pdiskbno保存著文件f第filebno塊block的索引
            if ((bn = alloc_block()) < 0) {
                return bn;
            }
            *pdiskbno = bn;
            flush_block(diskaddr(bn));
        }
        *blk = diskaddr(*pdiskbno);
        return 0;
}

踩坑記錄

包括後面的Exercise 10都遇到相同的問題。
寫完Exercise4後執行make grade，無法通過測試，提示"file_get_block returned wrong data"。在實驗目錄下搜索該字元串，發現是在fs/test.c文件中，

    if ((r = file_open("/newmotd", &f)) < 0)
        panic("file_open /newmotd: %e", r);
    if ((r = file_get_block(f, 0, &blk)) < 0)
        panic("file_get_block: %e", r);
    if (strcmp(blk, msg) != 0)
        panic("file_get_block returned wrong data");

也就是說只有當blk和msg指向的字元串不一樣時才會報這個錯，msg定義在fs/test.c中static char *msg = "This is the NEW message of the day!\n\n"。blk指向/newmotd文件的開頭。/newmotd文件在fs/newmotd中，打開後發現內容也是"This is the NEW message of the day!"。照理來說應該沒有問題啊。但是通過xxd fs/newmotd指令查看文件二進位發現如下:

1. 00000000: 5468 6973 2069 7320 7468 6520 4e45 5720  This is the NEW
2. 00000010: 6d65 7373 6167 6520 6f66 2074 6865 2064  message of the d
3. 00000020: 6179 210d 0a0d 0a                        ay!....

最後的兩個換行符是0d0a 0d0a，也就是\r\n\r\n。但是msg中末尾卻是\n\n。\r\n應該是windows上的換行符，不知道為什麼fs/newmotd中的換行符居然是windows上的換行符。找到問題了所在，我們用vim打開fs/newmotd，然後使用命令set ff=unix，保存退出。現在再用xxd fs/newmotd指令查看文件二進位發現，換行符已經變成了\n（0x0a）。這樣就可以通過該實驗了。在Exercise 10中同樣需要將fs文件夾下的lorem，script，testshell.sh文件中的換行符轉成UNIX下的。

The file system interface

到目前為止，文件系統進程已經能提供各種操作文件的功能了，但是其他用戶進程不能直接調用這些函數。我們通過進程間函數調用(RPC)對其它進程提供文件系統服務。RPC機制原理如下：

      Regular env           FS env
   +---------------+   +---------------+
   |      read     |   |   file_read   |
   |   (lib/fd.c)  |   |   (fs/fs.c)   |
...|.......|.......|...|.......^.......|...............
   |       v       |   |       |       | RPC mechanism
   |  devfile_read |   |  serve_read   |
   |  (lib/file.c) |   |  (fs/serv.c)  |
   |       |       |   |       ^       |
   |       v       |   |       |       |
   |     fsipc     |   |     serve     |
   |  (lib/file.c) |   |  (fs/serv.c)  |
   |       |       |   |       ^       |
   |       v       |   |       |       |
   |   ipc_send    |   |   ipc_recv    |
   |       |       |   |       ^       |
   +-------|-------+   +-------|-------+
           |                   |
           +-------------------+

本質上RPC還是藉助IPC機制實現的，普通進程通過IPC向FS進程間發送具體操作和操作數據，然後FS進程執行文件操作，最後又將結果通過IPC返回給普通進程。從上圖中可以看到客戶端的代碼在lib/fd.c和lib/file.c兩個文件中。服務端的代碼在fs/fs.c和fs/serv.c兩個文件中。
相關數據結構之間的關係可用下圖來表示：文件系統相關數據結構關係
文件系統服務端代碼在fs/serv.c中，serve()中有一個無限迴圈，接收IPC請求，將對應的請求分配到對應的處理函數，然後將結果通過IPC發送回去。
對於客戶端來說：發送一個32位的值作為請求類型，發送一個Fsipc結構作為請求參數，該數據結構通過IPC的頁共用發給FS進程，在FS進程可以通過訪問fsreq(0x0ffff000)來訪問客戶進程發來的Fsipc結構。
對於服務端來說：FS進程返回一個32位的值作為返回碼，對於FSREQ_READ和FSREQ_STAT這兩種請求類型，還額外通過IPC返回一些數據。

Exercise 5

實現fs/serv.c中的serve_read()。這是服務端也就是FS進程中的函數。直接調用更底層的fs/fs.c中的函數來實現。

int
serve_read(envid_t envid, union Fsipc *ipc)
{
    struct Fsreq_read *req = &ipc->read;
    struct Fsret_read *ret = &ipc->readRet;

    if (debug)
        cprintf("serve_read %08x %08x %08x\n", envid, req->req_fileid, req->req_n);

    // Lab 5: Your code here:
    struct OpenFile *o;
    int r;
    r = openfile_lookup(envid, req->req_fileid, &o);
    if (r < 0)      //通過fileid找到Openfile結構
        return r;
    if ((r = file_read(o->o_file, ret->ret_buf, req->req_n, o->o_fd->fd_offset)) < 0)   //調用fs.c中函數進行真正的讀操作
        return r;
    o->o_fd->fd_offset += r;
    
    return r;
}

Exercise 6

實現fs/serv.c中的serve_write()和lib/file.c中的devfile_write()。
serve_write():

int
serve_write(envid_t envid, struct Fsreq_write *req)
{
    if (debug)
        cprintf("serve_write %08x %08x %08x\n", envid, req->req_fileid, req->req_n);

    // LAB 5: Your code here.
    struct OpenFile *o;
    int r;
    if ((r = openfile_lookup(envid, req->req_fileid, &o)) < 0) {
        return r;
    }
    int total = 0;
    while (1) {
        r = file_write(o->o_file, req->req_buf, req->req_n, o->o_fd->fd_offset);
        if (r < 0) return r;
        total += r;
        o->o_fd->fd_offset += r;
        if (req->req_n <= total)
            break;
    }
    return total;
}

devfile_write():客戶端進程函數，包裝一下參數，直接調用fsipc()將參數發送給FS進程處理。

static ssize_t
devfile_write(struct Fd *fd, const void *buf, size_t n)
{
    // Make an FSREQ_WRITE request to the file system server.  Be
    // careful: fsipcbuf.write.req_buf is only so large, but
    // remember that write is always allowed to write *fewer*
    // bytes than requested.
    // LAB 5: Your code here
    int r;
    fsipcbuf.write.req_fileid = fd->fd_file.id;
    fsipcbuf.write.req_n = n;
    memmove(fsipcbuf.write.req_buf, buf, n);
    return fsipc(FSREQ_WRITE, NULL);
}

Spawning Processes

lib/spawn.c中的spawn()創建一個新的進程，從文件系統載入用戶程式，然後啟動該進程來運行這個程式。spawn()就像UNIX中的fork()後面馬上跟著exec()。
spawn(const char *prog, const char **argv)做如下一系列動作：

  1. 從文件系統打開prog程式文件
  2. 調用系統調用sys_exofork()創建一個新的Env結構
  3. 調用系統調用sys_env_set_trapframe()，設置新的Env結構的Trapframe欄位（該欄位包含寄存器信息）。
  4. 根據ELF文件中program herder，將用戶程式以Segment讀入記憶體，並映射到指定的線性地址處。
  5. 調用系統調用sys_env_set_status()設置新的Env結構狀態為ENV_RUNNABLE。

Exercise 7

實現sys_env_set_trapframe()系統調用。

static int
sys_env_set_trapframe(envid_t envid, struct Trapframe *tf)
{
    // LAB 5: Your code here.
    // Remember to check whether the user has supplied us with a good
    // address!
    int r;
    struct Env *e;
    if ((r = envid2env(envid, &e, 1)) < 0) {
        return r;
    }
    tf->tf_eflags = FL_IF;
    tf->tf_eflags &= ~FL_IOPL_MASK;         //普通進程不能有IO許可權
    tf->tf_cs = GD_UT | 3;
    e->env_tf = *tf;
    return 0;
}

Sharing library state across fork and spawn

UNIX文件描述符是一個大的概念，包含pipe，控制台I/O。在JOS中每種設備對應一個struct Dev結構，該結構包含函數指針，指向真正實現讀寫操作的函數。
lib/fd.c文件實現了UNIX文件描述符介面，但大部分函數都是簡單對struct Dev結構指向的函數的包裝。

我們希望共用文件描述符，JOS中定義PTE新的標誌位PTE_SHARE，如果有個頁表條目的PTE_SHARE標誌位為1，那麼這個PTE在fork()和spawn()中將被直接拷貝到子進程頁表，從而讓父進程和子進程共用相同的頁映射關係，從而達到父子進程共用文件描述符的目的。

Exercise 8

修改lib/fork.c中的duppage()，使之正確處理有PTE_SHARE標誌的頁表條目。同時實現lib/spawn.c中的copy_shared_pages()。

static int
duppage(envid_t envid, unsigned pn)
{
    int r;

    // LAB 4: Your code here.
    void *addr = (void*) (pn * PGSIZE);
    if (uvpt[pn] & PTE_SHARE) {
        sys_page_map(0, addr, envid, addr, PTE_SYSCALL);        //對於標識為PTE_SHARE的頁，拷貝映射關係，並且兩個進程都有讀寫許可權
    } else if ((uvpt[pn] & PTE_W) || (uvpt[pn] & PTE_COW)) { //對於UTOP以下的可寫的或者寫時拷貝的頁，拷貝映射關係的同時，需要同時標記當前進程和子進程的頁表項為PTE_COW
        if ((r = sys_page_map(0, addr, envid, addr, PTE_COW|PTE_U|PTE_P)) < 0)
            panic("sys_page_map：%e", r);
        if ((r = sys_page_map(0, addr, 0, addr, PTE_COW|PTE_U|PTE_P)) < 0)
            panic("sys_page_map：%e", r);
    } else {
        sys_page_map(0, addr, envid, addr, PTE_U|PTE_P);    //對於只讀的頁，只需要拷貝映射關係即可
    }
    return 0;
}

copy_shared_pages()

static int
copy_shared_pages(envid_t child)
{
    // LAB 5: Your code here.
    uintptr_t addr;
    for (addr = 0; addr < UTOP; addr += PGSIZE) {
        if ((uvpd[PDX(addr)] & PTE_P) && (uvpt[PGNUM(addr)] & PTE_P) &&
                (uvpt[PGNUM(addr)] & PTE_U) && (uvpt[PGNUM(addr)] & PTE_SHARE)) {
            sys_page_map(0, (void*)addr, child, (void*)addr, (uvpt[PGNUM(addr)] & PTE_SYSCALL));
        }
    }
    return 0;
}

The Shell

運行make run-icode，將會執行user/icode，user/icode又會執行inti，然後會spawn sh。然後就能運行如下指令：

    echo hello world | cat
    cat lorem |cat
    cat lorem |num
    cat lorem |num |num |num |num |num
    lsfd

Exercise 10

目前shell還不支持IO重定向，修改user/sh.c，增加IO該功能。

runcmd(char* s) {
            ...
            if ((fd = open(t, O_RDONLY)) < 0) {
                cprintf("open %s for write: %e", t, fd);
                exit();
            }
            if (fd != 0) {
                dup(fd, 0);
                close(fd);
            }
            ...
}

總結回顧

  1. 構建文件系統：
    1. 引入一個文件系統進程（FS進程）的特殊進程，該進程提供文件操作的介面。具體實現在fs/bc.c，fs/fs.c，fs/serv.c中。
    2. 建立RPC機制，客戶端進程向FS進程發送請求，FS進程真正執行文件操作。客戶端進程的實現在lib/file.c，lib/fd.c中。客戶端進程和FS進程交互可總結為下圖：客戶端進程和FS進程交互
    3. 更高級的抽象，引入文件描述符。通過文件描述符這一層抽象就可以將控制台，pipe，普通文件，統統按照文件來對待。文件描述符和pipe的原理總結如下：文件描述符和pipe原理
  2. 支持從磁碟載入程式並運行。實現spawn()，該函數創建一個新的進程，並從磁碟載入程式運行，類似UNIX中的fork()後執行exec()。

具體代碼在：https://github.com/gatsbyd/mit_6.828_jos

如有錯誤，歡迎指正(*^_^*)：
15313676365


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