操作系统实验ucore lab4

阅读前注意事项：

1、我的博客从lab2之后，如果没有特殊说明，所有标注的代码行数位置，以labcodes_answer（答案包）里的文件为准！！！因为你以后会发现做实验用meld软件比较费时费力，对于咱们学校的验收不如直接对着答案来；

2、感谢网上的各路前辈大佬们，本人在这学期初次完成实验的过程中，各位前辈们的博客给了我很多有用的指导；本人的博客内容在现有的内容上，做了不少细节的增补内容，有些地方属个人理解，如果有错在所难免，还请各位大佬们批评指正；

3、所有实验的思考题，我把它规整到了文章最后；

4、所有实验均默认不做challenge，对实验评分无影响；

5、湖南大学的实验顺序为1 4 5 6 7 2 3 8，在实验4-7过程中涉及到实验二三的页表虚存问题，当做黑盒处理，没有过多探索。

 

一、实验内容

当一个程序加载到内存中运行时， 首先通过ucore OS的内存管理子系统分配合适的空间， 然后就需要考虑如何分时使用CPU来“并发”执行多个程序， 让每个运行的程序（这里用线程或进程表示） “感到”它们各自拥有“自己”的CPU。

本次实验将首先接触的是内核线程的管理。 内核线程是一种特殊的进程， 内核线程与用户进程的区别有两个：内核线程只运行在内核态，用户进程会在在用户态和内核态交替运行，所有内核线程共用ucore内核内存空间， 不需为每个内核线程维护单独的内存空间，而用户进程需要维护各自的用户内存空间。

 

二、目的

了解内核线程创建/执行的管理过程

了解内核线程的切换和基本调度过程

 

三、实验设计思想和流程

 

练习1：分配并初始化一个进程控制块（需要编码）

alloc_proc函数（位于kern/process/proc.c86行中，参考proc.h文件）负责分配并返回一个新的struct proc_struct结构，用于存储新建立的内核线程的管理信息。ucore需要对这个结构进行最基本的初始化，你需要完成这个初始化过程。

【提示】在alloc_proc函数的实现中，需要初始化的proc_struct结构中的成员变量至少包括：state/pid/runs/kstack/need_resched/parent/mm/context/tf/cr3/flags/name。

 

首先找到kern/process/proc.c，需要填写的alloc_proc函数中有这么一段注释，它主要定义了一个结构体proc_struct，它也说，我们需要初始化这样一个结构体的一个对象并返回它。

这个结构体的详细定义在同一文件夹下的proc.h中的42——57行也能找到：

struct proc_struct {
    enum proc_state state;	        // Process state
    int pid;		                // Process ID
    int runs;		                // the running times of Proces
    uintptr_t kstack;		        // Process kernel stack
    volatile bool need_resched;		// bool value: need to be rescheduled to release CPU?
    struct proc_struct *parent;		// the parent process
    struct mm_struct *mm;			// Process's memory management field
    struct context context;			// Switch here to run process
    struct trapframe *tf;			// Trap frame for current interrupt
    uintptr_t cr3;				// CR3 register: the base addr of Page Directroy Table(PDT)
    uint32_t flags;			        // Process flag
    char name[PROC_NAME_LEN + 1];		// Process name
    list_entry_t list_link;			// Process link list 
    list_entry_t hash_link;			// Process hash list
};

alloc_proc，这个函数的返回语句是“return proc”，其中proc就是这个proc_struct的一个对象。

其实这里我们需要初始化的一个东西就是proc_struct的一个对象，分配的是一个内核线程的PCB，它通常只是内核中的一小段代码或者函数，没有用户空间。而由于在操作系统启动后，已经对整个核心内存空间进行了管理，所以内核中的所有线程都不需要再建立各自的页表，只需共享这个核心虚拟空间就可以访问整个物理内存了。（这里需要指出的一个重点是，虽然名字叫做内核线程，但是内核线程是一种特殊的进程，来自指导书P167）

PCB包括进程状态，进程编号，程序计数器、寄存器等各种参数，和上面这个结构体一比较，可以确定这就是一个标准的PCB，我们需要做的东西就是初始化它，也可以看做给一个新开辟的内核线程（进程）做初始化。

反过来看这个结构体里面定义的PCB参数，经过分析我们可以得到以下含义：

 

state：进程所处的状态，这个在proc.h的第11行——15行有定义，具体如下：

PROC_UNINIT		//未初始状态
PROC_SLEEPING 		//睡眠（阻塞）状态
PROC_RUNNABLE		//运行与就绪态
PROC_ZOMBIE		//僵尸状态

pid：进程id号。这个非常熟悉了。

runs：进程运行的时间，既然任务是初始化，那么runs必须是零。

kstack：记录了分配给该进程/线程的内核桟的位置。这个地方，在没有基于前三个实验代码补全lab4的源代码之前，似乎运行会出问题，如果补全了，运行就不会报错。因为这里记录的是分配给该进程在内存中的栈位置，推测相关操作应该和lab2和lab3有关。

need_resched：是否需要调度，目前实验未到这一步，暂时不管。

parent：用户进程的父进程，这是一个指针变量，记录它的父进程是谁。在所有进程中，只有一个进程没有父进程，就是内核创建的第一个内核线程idleproc。

mm：注释说它负责管理进程的虚拟memory，其实就是内存管理的信息，包括内存映射列表、页表指针等。mm成员变量在lab3中用于虚存管理。但在实际OS中，内核线程常驻内存，不需要考虑swap page问题，mm应该和23有关，暂时不管