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Lab2 System Call

✏️ 🔧 12 min read

Lab2 熟悉一些系统调用，这个实验有一些小坑 😤

实验准备

运行Lab: System calls (mit.edu)上的命令

Terminal window
git fetch
git checkout syscall
make clean

即可得到该实验的实验环境了。

我们所需要做的就是跟着题目与 Hint 一步一步完成即可。

但在这之前，需要检查你有没有把官网上橙色的部分做完。

System call tracing

要求实现一个跟踪命令的系统调用，在之后或许可以使用这个系统调用来 debug（bushi。

官方的文档已经把要求说的很清楚了，接下来我们跟着 Hint 一步一步做。

  1. 在 Makefile 中添加 $U/_trace$ 。
  2. 运行 make qemu 会发现编译错误，这是因为 trace.c 的很多定义都不存在，我们需要去添加定义。
    1. 在 user/user.h 中添加 int trace(int);
    2. 在 usys.pl 中添加 entry("trace")
    3. 在 kernel/syscall.h 中添加 #define SYS_trace 22
    4. 在 kernel/syscall.c 中 syscalls 映射表中添加 [SYS_trace] sys_trace，并且添加函数声明 extern uint64 sys_trace(void);
  3. 在 kernel/proc.h 的 proc 中添加成员变量 mask
  4. 在 kernel/sysproc.c 中添加 sys_trace 函数的实现
  5. 修改 kernel/proc.c 中的 fork 函数
  6. 修改 kernel/syscall.c 中的 syscall 函数

当我们完成 1,2 步后，我们运行 make qemu 可以发现已经能通过编译了，这是因为我们已经在用户层注册了系统调用 trace ，但当我们运行 trace 32 grep hello README时会发现调用失败。

因为我们没有在内核层实现 trace 的具体实现，使得用户层无法传递到内核层。

于是，我们在 kernel/sysproc.c 中添加 sys_trace：

uint64
sys_trace(void) {
  uint64 p;
  if (argaddr(0, &p) < 0) {
    return -1;
  }
  myproc()->mask = p;
  return 0;
}

然后根据文档说明，修改 fork 函数与 syscall 函数：

// Create a new process, copying the parent.
// Sets up child kernel stack to return as if from fork() system call.
int
fork(void) {
  int i, pid;
  struct proc* np;
  struct proc* p = myproc();


  // ....


  /* add */
  // copy trace mask
  np->mask = p->mask;


  // .....


  return pid;
}
// add
static char sysnames[][10] = {
  "failed", // 索引从 0 开始，但宏定义是从 1 开始的
  "fork", "exit", "wait", "pipe", "read",
  "kill", "exec", "fstat", "chdir", "dup",
  "getpid", "sbrk", "sleep", "uptime", "open",
  "write", "mknod", "unlink", "link", "mkdir",
  "close", "trace", "sysinfo", // 这里多添加了下一题的 "sysinfo"
};


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]();
    // 掩码与实际相等（这里需要去看一下官网上掩码的定义）
    if ((1 << num) & (p->mask)) {
      printf("%d: syscall %s -> %d\n",
        p->pid, sysnames[num], p->trapframe->a0);
    }
  }
  else {
    printf("%d %s: unknown sys call %d\n",
      p->pid, p->name, num);
    p->trapframe->a0 = -1;
  }
}

Sysinfo

实现一个 sysinfo 的系统调用，测试的代码已经写好放在 sysinfotest 中。sysinfo 需要打印出可用的内存空间与当前状态不是 UNUSED 的进程数量。

跟随 Hint 一步一步完成。在用户层注册的部分与 trace 部分相同，在此略过。

我们需要在 kernel/sysproc.c 中实现 sys_sysinfo 函数，要求是需要使用 copyout 函数将 struct sysinfo 从内核层传递到用户层。函数的用法可以参照filestat() (kernel/file.c)。

需要注意的是，我们还需要添加一行 #include "sysinfo.h" 把 struct sysinfo 链接进来。

uint64
sys_sysinfo(void) {
  uint64 addr;
  if (argaddr(0, &addr) < 0) {
    return -1;
  }
  struct sysinfo si;
  si.freemem = freemem();
  si.nproc = nproc();
  if (copyout(myproc()->pagetable, addr, (char*)&si, sizeof(si)) < 0)
    return -1;
  return 0;
}

然后，我们在 kernel/kalloc.c 中添加 freemem() 以计算空闲空间，在 kernel/proc.c 中添加 nproc() 以计算状态不为 UNUSED 的进程数量。

函数的写法都可以参照同文件下其他函数的写法。

uint64
freemem(void) {
  struct run* r;
  acquire(&kmem.lock);
  r = kmem.freelist;
  uint64 ret = 0;
  while (r) {
    ret++;
    r = r->next;
  }
  release(&kmem.lock);
  return ret * PGSIZE;
}
uint64
nproc(void) {
  struct proc* p;
  uint64 ret = 0;
  for (p = proc; p < &proc[NPROC]; p++) {
    if (p->state != UNUSED)
      ret++;
  }
  return ret;
}

以为这样就可以了吗?

不，现在make qemu 的话，会报错，意思是 freemem() 与 nproc() 函数都未声明。大冤种对比头文件对比了半天发现，我们除了在 sysproc.c 里添加函数外，其他新添加的函数都应该在 defs.h 里面声明（能不能再Hint里面写一下啊 😒）

添加完后，就会发现编译可以通过了。

最终成绩

做完还是记得 git add . && git commit -m "finish"

更新

做完这个实验其实还是会云里雾里的，因为完全是按照 Hint 很顺畅做下来的，没有什么思考。

我思考了一下还是把这部分放上来，防止之后出现相似的情况。

这个实验其实是想告诉你，xv6 系统乃至其他所有操作系统，究竟是怎么实现系统调用的，为什么你要修改那么多文件等等，但这些如果做完没有思考的话，这个实验等于没做。

由于我在做这个实验前已经写过关于 MINIX 关于添加 chrt 系统调用的实验了（虽然那个也是跟着文档一步一步做的），在做完这个实验后疑惑更深，于是查阅了文档，大概知道了系统调用的过程：

至于为什么需要这么复杂，而不是直接调用函数。

或许认真看一遍 xv6 教材的第一章，这个问题就能迎刃而解。

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