Lab2: system calls 預備知識執行一次系統調用的流程： USER MODE step1：系統調用聲明 user/user.h：系統調用函數（如 int fork(void)) step2：ecall 進入內核態 user/usys.S（該文件由 user/usys.pl 生成，後續 ...

Lab2: system calls

預備知識

執行一次系統調用的流程：

USER MODE

step1：系統調用聲明

user/user.h：系統調用函數（如 int fork(void))

step2：ecall 進入內核態

user/usys.S（該文件由 user/usys.pl 生成，後續添加函數可以在這裡添加）：執行如下命令

 .global fork
 fork:
   li a7, SYS_fork
   ecall
   ret

將系統調用的編號（在kernel/syscall.h中定義)寫入a7寄存器
從ecall進入中斷處理函數

KERNEL MODE

step3：保存數據並跳轉到中斷判斷函數

kernel/trampoline.S：在uservec中保存寄存器、切換到內核棧、切換棧指針SP等，最後跳轉到內核指定的中斷判斷函數usertrap（在kernel/trap.c中）
- 每一個進程都對應一個狀態結構體proc（在kernel/proc.h中定義這個結構體），將數據存儲在這裡

step4：中斷判斷函數

kernel/trap.c：中斷判斷函數usertrap用於處理來自用戶態的中斷、異常或系統調用，在此處判斷是否是系統調用，如果是，則執行響應函數syscall

step5：執行對應的系統調用

kernel/syscall.c：響應函數syscall用於對號入座，根據給出的syscalls表（將系統調用編號與執行函數相對應）獲取系統調用類型（系統調用編號從a7寄存器中讀取），執行相應的函數（進入kernel/sysproc.c中）；系統調用的返回值傳遞給了a0，後續會回傳給用戶態

step6：系統調用函數

kernel/sysproc.c：保存著系統調用的執行函數，如果系統調用有參數，需要用argraw（讀取參數本質上是從記憶體中恢復，見kernel/syscall.c)取出保存的寄存器數據，然後函數最終都將調用相對應的執行函數（在kernel/proc.c中）

step7：系統調用核心功能

kernel/proc.c：這裡的函數用於執行核心功能，如創建進程等

添加系統調用需要考慮的地方

在user/user.h中添加系統調用的函數聲明，併在user中創建相應的系統調用(*.c文件)（和lab1類似）
在user/usys.pl中添加系統調用項
在kernel/syscall.h添加系統調用的編號
在kernel/syscall.c中的syscalls表中添加映射關係，指出需要執行的函數
在kernel/sysproc.c和kernel/proc.c中實現系統調用的執行函數

Part1：System call tracing

實現功能

添加一個系統調用的trace功能，在命令前輸入trace <mask>，能夠列印出該命令使用的系統調用
mask = 1 << SYS_name為一個整數，它能夠指定跟蹤哪個系統調用，SYS_name是來自kernel/syscall.h的一個系統調用號，mask可以等於1 << SYS_name | 1 << SYS_other_name
如果在輸入命令時使用trace <mask>，則在使用指定系統調用後應該返回一行包括進程id、系統調用名稱和返回值的列印信息
trace要求能夠跟蹤進程以及進程派生出的子進程，且不影響其他進程

實驗提示

在user/user.h、user/usys.pl、kernel/syscall.h添加系統調用以及編號
在kernel/sysproc.c添加一個sys_trace函數實現新的系統調用，併在狀態結構體proc中插入一個新的變數（對該進程進行跟蹤的mask掩碼），系統調用的執行函數參考kernel/sysproc.c
此外需要對kernel/proc.c的fork函數進行修改，因為調用了trace系統調用，會在當前進程狀態proc（在kernel/proc.h中）中修改mask掩碼的設置，同時每次fork時也需要對相關的子進程同步相關的設置
需要修改kernel/syscall.c下的syscall使其列印追蹤信息；為了列印系統調用名稱，需要額外創建字元串數組

實驗代碼

在user/user.h中添加int trace(int);的聲明（trace接受一個整型的參數mask）
在user/usys.pl中添加entry("trace");，這是進入內核態的入口
在Makefile中的UPROGS添加_trace
進入內核態，在kernel/syscall.h添加系統調用的編號#define SYS_trace 22
在kernel/syscall.c中添加系統調用的映射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中添加進入系統調用的函數

uint64
sys_trace(void){   // 參考sys_wait函數
  uint64 p;
  if(argaddr(0, &p) < 0)   // 獲取trace的參數（只有一個）
    return -1;    
  return trace(p);  // 系統調用的執行函數
}

在 kernel/proc.c 實現 trace 的系統調用執行函數（僅僅是進行一個掩碼的賦值）

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

在 kernel/defs.h（這個裡麵包含了 kernel 中常用函數的原型聲明）中加入函數的聲明 int trace(int)
在 kernel/proc.c 中的 fork 函數中加一行代碼 np->mask = p->mask;，將父進程的 mask 賦值給子進程的 mask
在 kernel/syscall.c 中對 syscall 進行修改，列印追蹤信息；並且為了列印系統調用的名稱，創建一個字元串數組

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
      // 列印進程id、系統調用的名稱和返回值
      printf("%d: syscall %s -> %d", p->pid, sys_name[num], p->trapframe->a0);   // 這裡註意使用的prinrf是因為xv6的kernel中專門定義了一個printf的函數，在Linux內核中只能使用prinrk列印
    }
  } 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 寄存器中讀出來的 SYS_read，p->mask >> num 能夠將 mask 還原為 SYS_read，如果沒有 mask，則不列印

實驗感悟

在閱讀源碼的過程中，看到有些地方涉及到彙編語言，之後要把這塊給學習一下，要不然很影響閱讀體驗
雖然按照系統調用的步驟能把整個流程走下來，但是每個函數以及它們之間的關係實際上還沒有特別清楚，需要再進行梳理（將每個函數的作用都搞清楚）
在進行 proc 修改的時候，要考慮到 fork 函數的子進程是否需要複製參數

Part2: Sysinfo

實現功能

添加一個系統調用 sysinfo，通過系統調用將收集正在運行的程式的信息
在這個系統調用中將傳入一個結構體指針 sysinfo，結構體定義在 kernel/sysinfo.h 中，其中 freemem 應該設置為空閑記憶體的位元組數，nproc 應該設置為進程狀態不為 UNUSED 的進程數

實驗提示

在 user/user.h 中聲明 sysinfo() 的原型，你需要預先聲明結構體 sysinfo 的存在:struct sysinfo;、int sysinfo(struct sysinfo *);
sysinfo 需要將 struct sysinfo 複製回用戶空間；參考 sys_fstat() (kernel/sysfile.c) 和 filestat() (kernel/file.c) 學習使用 copyout()
要收集空閑記憶體量，可以在 kernel/kalloc.c 中添加一個函數
要收集進程數，請在 kernel/proc.c 中添加一個函數

實驗代碼

在 user/user.h 添加 sysinfo 結構體和函數的聲明 struct sysinfo;、int sysinfo(struct sysinfo *);
分別在 user/usys.pl、Makefile、kernel/syscall.h、kernel/syscall.c 執行與上一個實驗一樣的步驟
在 kernel/kalloc.c 中實現空閑記憶體大小的查找

uint64 
getfreemen(void){    // 獲取空閑記憶體數量
  struct run *rp;
  uint64 result = 0;
  acquire(&kmem.lock);  // 考慮到併發問題，上鎖
  rp = kmem.freelist;
  while(rp){
    result += 1;
    rp = rp->next;
  }
  release(&kmem.lock);
  return result * PGSIZE;   //一個記憶體頁的大小為PGSIZE(4096)
}

在 kernel/proc.c 中實現進程數的統計

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;
}

上述兩個步驟都需要在 kernel/defs.h 中添加函數聲明

在 kernel/sysproc.c 中實現執行函數 sys_sysinfo 的功能，記得添加 #include "sysinfo.h" 來使用 sysinfo 結構體

uint64   
sys_sysinfo(void){   
  struct sysinfo info;
  struct proc *p;
  uint64 addr;
  if(argaddr(0, &addr) < 0)    // 獲取系統的指針參數
    return -1;
  p = myproc();
  info.freemem = getfreemen();
  info.nproc = getproc();
  // 從內核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;
}

實驗感悟

這個實驗實現的記憶體大小和進程數的統計函數需要瞭解了 kalloc.c 和 proc.c 的函數後才能寫出來，我兩個文件看的還不太完全，之後需要再看看
這個實驗中也使用了指針，這一塊使用還不太熟練，C 語言還需要精進

MIT6.S081 - Lab2: system calls

Lab2: system calls

預備知識

執行一次系統調用的流程：

USER MODE

step1：系統調用聲明

step2：ecall 進入內核態

KERNEL MODE

step3：保存數據並跳轉到中斷判斷函數

step4：中斷判斷函數

step5：執行對應的系統調用

step6：系統調用函數

step7：系統調用核心功能

添加系統調用需要考慮的地方

Part1：System call tracing

實現功能

實驗提示

實驗代碼

實驗感悟

Part2: Sysinfo

實現功能

實驗提示

實驗代碼

實驗感悟