OS-xv6-lab3：页表

lab3 页表

加速getpid

核心就是为每一个进程的单独内存空间添加一个USYSCALL页，这样用户程序可无需陷入内核中，而直接从这个页面获取数据（在本实验中为pid），进而省去系统开销，加速系统调用。

根据实验文档，USYSCALL相关的定义在memlayout.h文件中：

// User memory layout.
// Address zero first:
//   text
//   original data and bss
//   fixed-size stack
//   expandable heap
//   ...
//   USYSCALL (shared with kernel)
//   TRAPFRAME (p->trapframe, used by the trampoline)
//   TRAMPOLINE (the same page as in the kernel)
#define TRAPFRAME (TRAMPOLINE - PGSIZE)
#ifdef LAB_PGTBL
#define USYSCALL (TRAPFRAME - PGSIZE)

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

memlayout.h文件中主要是用户空间内存布局的定义，上图为xv6手册中给出的进程的用户地址空间，可以看到与代码的注释是对应的，虚拟地址空间从0到MAXVA，依次是

​ text：程序代码段

​ data（bss）：程序的数据

​ guard page：检测用户栈是否溢出了分配的栈内存

​ stack：固定大小的用户栈

​ heap：可拓展的堆区

​ trapframe：陷入内核时保存用户上下文的区域

​ trampoline：用户态跳转到内核态的特殊“跳板”页，与内核共享，用于进入内核。

USYSCALL定义应该是位于trapframe和heap之间，单独开辟一个新页来存储数据。首先要在proc.h的proc结构体中添加usyscall变量，然后修改proc.c文件中关于进程和映射的函数。在allocproc分配物理页时添加分配usyscall空间的代码，并将pid对应存储；在proc_pagetable中建立虚拟地址到物理地址的映射，设置权限用户可读；在freeproc中释放进程资源时释放掉新加的usyscall页的空间，并且由于在释放时调用了proc_freepagetable释放页表中对应的页表项，还需要在这个函数中增加解除usyscall映射的代码。

PTE标志位

• PTE_P：PTE是否陈列在页表中
• PTE_W：能否对页执行写操作
• PTE_U：控制用户程序能否使用该页
• PTE_R：用户能否读取
• PTE_V：PTE是否存在或有效，若不存在，则尝试引用时会报缺页错误。

函数解释

• mappages

  在页表中建立虚拟地址到物理地址的映射，并设置相应的访问权限。

• uvmfree

  释放一个进程所使用的用户空间内存，并销毁与之相关的页表（包括页目录和页表本身使用的物理内存）。

• kfree

  当某个物理页不再被使用时，释放这个物理页，并将其返回给内核的空闲页管理系统。

• uvmunmap

  取消一段虚拟地址范围内的页表映射，即把虚拟地址和物理地址的绑定关系解除

• freewalk

  递归释放页表结构所有的中间页。利用递归的思想，递归遍历页表项，取出每个页表项，判断它是否有效、是否是中间页表（是指向下一级页表而非指向物理页表的），利用PTE2PA宏从PTE中提取物理地址，然后将这个子页表递归地传递给freewalk释放，把当前页表项清零，表示它不再有效。若不是中间页而是叶子页表，则不应该释放，打印报错的信息。最后递归地处理完所有的子页表后，释放当前这个页表本身所占的物理页。

  编写vmprint函数

  首先查看利用递归来释放页表结构所有的中间页。首先遍历页表项，取出每个页表项，判断它是否有效、是否是中间页表（即是指向下一级页表而非指向物理内存的），是的话，利用PTE2PA宏从PTE中提取物理地址，然后将这个子页表递归地传给freewalk释放，把当前页表项清零，表示它不再有效。若不是中间页表，而是叶子页表，则不应该释放，打印报错信息。最后递归地处理完所有的子页表后，释放当前这个页表本身所占的物理页。

  // Recursively free page-table pages.
  // All leaf mappings must already have been removed.
  void
  freewalk(pagetable_t pagetable)
  {
    // 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) && (pte & (PTE_R|PTE_W|PTE_X)) == 0){
        // this PTE points to a lower-level page table.
        uint64 child = PTE2PA(pte);
        freewalk((pagetable_t)child);
        pagetable[i] = 0;
      } else if(pte & PTE_V){
        panic("freewalk: leaf");
      }
    }
    kfree((void*)pagetable);
  }
  

  仿照freewalk的递归思路，另外设置一个printdeep的变量来指示打印当前页的深度。初始深度为0打印当前页表，然后遍历当前页表的所有页表项，如果是有效的叶子页表则打印出当前的索引、页表项的值和物理地址，并根据深度打印缩放，如果是中间页表，则增加深度，调用vmprint递归打印子页表，回溯完成后再将深度减一。

static int printdeep = 0;
void
vmprint(pagetable_t pagetable)
{
  if (printdeep == 0)
    printf("page table %p\n", (uint64)pagetable);
  for (int i = 0; i < 512; i++) {
    pte_t pte = pagetable[i];
    if (pte & PTE_V) {
      for (int j = 0; j <= printdeep; j++) {
        printf("..");
      }
      printf("%d: pte %p pa %p\n", i, (uint64)pte, (uint64)PTE2PA(pte));
    }
    // pintes to lower-level page table
    if((pte & PTE_V) && (pte & (PTE_R|PTE_W|PTE_X)) == 0){
      printdeep++;
      uint64 child_pa = PTE2PA(pte);
      vmprint((pagetable_t)child_pa);
      printdeep--;
    }
  }
}

最后在defs.h中添加定义：

void            vmprint(pagetable_t);