MIT 6.S081 Lab5: xv6 lazy page allocation

介绍

写在前面

这个实验主要是写内存的懒分配（Lazy page allocation）应该是目前为止最简单的了？！实验说明地址在Lab: xv6 lazy page allocation，我的代码在 github。

断断续续的做也没用多长时间，。需要的知识比较简单，可能会比较考验 debug 的能力，不过参考一下网上的经验，还是很容易解决的。

前置知识

主要的知识就是内存分配为什么需要设置成懒分配（Lazy page allocation）的模式。主要是因为进程在申请内存时，很难精确地知道所需要的内存多大，因此，进程倾向于申请多于所需要的内存。这样会导致一个问题：有些内存可能一直不会使用，申请了很多内存但是使用的很少。懒分配模式就是解决这样一个问题。解决方法是：分配内存时，只增大进程的内存空间字段值，但并不实际进行内存分配；当该内存段需要使用时，会发现找不到内存页，抛出 page fault 中断，这时再进行物理内存的分配，然后重新执行指令。

最主要的一点，需要注意的是，进程的地址空间是连续的，从 0 开始到 MAXVA，如下图所示：

进程创建时，首先为可执行程序分配代码段（text）和数据段（data），然后分配一个无效的页 guard page 用于防止栈溢出。接下来分配进程用户空间栈，xv6 栈的大小是4096，刚好对应一页内存。值得注意的是，栈的生长方向是向下的，sp 是栈指针，初始时指向栈底，即大的地址位置。在栈生长时，栈指针（sp）减小。栈的上面是堆（heap），堆的大小是动态分配的，进程初始化时，堆大小为 0，p->sz 指针指向栈底位置。

实验内容

三个任务的目的都是实现一个功能，递进式实现，有些代码需要在三个任务中不断更改。建议做实验之前看一下这节对应的课程，课程内讲了该怎么更改代码，与实验有很大的关系。

任务一（Eliminate allocation from sbrk()）

任务一的目的就是更改 kernel/sysproc.c 中的 sys_sbrk() 函数，把原来只要申请就分配的逻辑改成申请时仅进行标注，即更改进程的 sz 字段。其实只要对 sz 进行增加就能完成这部分的更改，但后面的任务还需要更改这个函数，直接放上最终版：

uint64
sys_sbrk(void)
{
   
   
  int addr;
  int n;

  if(argint(0, &n) < 0)
    return -1;
  struct proc *p = myproc();
  addr = p->sz;
  //if (addr + n < 0) return -1;
  if (addr + n >= MAXVA || addr + n <= 0)
    return addr;
  p->sz = addr + n;
  //if(growproc(n) < 0)
  //  return -1;
  if(n < 0)
    uvmdealloc(p->pagetable, addr, p->sz);
  return addr;
}

这里有三点需要注意的：

1. 将 p->sz 增加 n，这也是任务一的要求。
2. 如果 n 是负数，则对其对应的内存进行释放（仿照 proc.c 中的 growproc 函数写就行）。
3. 判断堆的空间大小。不能超过 MAXVA，也不能释放小于 0 的地址空间。

如果直接运行 echo hi 命令会报错，因为我们还没写分配内存的逻辑，这是下面任务的内容。

任务二（Lazy allocation）

第一步，处理中断，分配内存

仿照上一个实验中的中断处理操作，在 kernel/trap.c 中，找到中断处理的逻辑进行更改。

系统调用的中断码是 8，page fault 的中断码是 13 和 15。因此，这里我们对 r_scause() 中断原因进行判断，如果是 13 或是 15，则说明没有找到地址。错误的虚拟地址被保存在了 STVAL 寄存器中，我们取出该地址进行分配。如果申请物理地址没成功或者虚拟地址超出范围了，那么杀掉进程，代码如下：

else if((which_dev = devintr()) != 0){
   
   
    // ok
  } else if(