ucore_lab4实验报告

实验目的：

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

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

进程是资源分配单位，线程是CPU调度单位。

练习0：填写已有实验

本实验依赖实验1/2/3。请把你做的实验1/2/3的代码填入本实验中代码中有“LAB1”,“LAB2”,“LAB3”的注释相应部分。

和前面一样，直接合并代码即可

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.c中）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。

代码如下（按照提示，需要初始化的成员变量：state/pid/runs/kstack/need_resched/parent/mm/context/tf/cr3/flags/name）：

// alloc_proc - alloc a proc_struct and init all fields of proc_struct
static struct proc_struct *
alloc_proc(void) {struct proc_struct *proc = kmalloc(sizeof(struct proc_struct));
if (proc != NULL) {proc->state =  (enum proc_state)PROC_UNINIT;proc->pid = -1;proc->runs = 0;proc->kstack = 0;proc->need_resched = 0;proc->parent = NULL;proc->mm = NULL;memset(&(proc->context), 0, sizeof(struct context));proc->tf = NULL;proc->cr3 = boot_cr3;proc->flags = 0;memset(proc->name, 0, PROC_NAME_LEN);}return proc;
}

请在实验报告中简要说明你的设计实现过程。

其实就是按照提示，初始化相应的成员变量

请回答如下问题：

请说明proc_struct中struct context context和struct trapframe *tf成员变量含义和在本实验中的作用是啥？（提示通过看代码和编程调试可以判断出来）

struct context context

进程的上下文，用于进程切换（参见switch.S）。在 uCore中，所有的进程在内核中也是相对独立的（例如独立的内核堆栈以及上下文等等）。使用 context 保存寄存器的目的就在于在内核态中能够进行上下文之间的切换。实际利用context进行上下文切换的函数是在kern/process/switch.S中定义switch_to。

需要注意的是，与trapframe保存用户态内核态的上下文不同，context保存的是线程当前的上下文，可能是执行用户代码的上下文，也可能是执行内核代码的上下文。
```
// Saved registers for kernel context switches.
// Don't need to save all the %fs etc. segment registers,
// because they are constant across kernel contexts.
// Save all the regular registers so we don't need to care
// which are caller save, but not the return register %eax.
// (Not saving %eax just simplifies the switching code.)
// The layout of context must match code in switch.S.
struct context {uint32_t eip;uint32_t esp;uint32_t ebx;uint32_t ecx;uint32_t edx;uint32_t esi;uint32_t edi;uint32_t ebp;
};
```
*struct trapframe tf

中断帧的指针，总是指向内核栈的某个位置：当进程从用户空间跳到内核空间时，中断帧记录了进程在被中断前的状态。当内核需要跳回用户空间时，需要调整中断帧以恢复让进程继续执行的各寄存器值。除此之外，uCore内核允许嵌套中断。因此为了保证嵌套中断发生时tf 总是能够指向当前的trapframe，uCore 在内核栈上维护了 tf 的链，可以参考trap.c::trap函数做进一步的了解。
两者关系：以kernel_thread函数为例，尽管该函数设置了proc->trapframe，但在fork函数中的copy_thread函数里，程序还会设置proc->context。两个上下文看上去好像冗余，但实际上两者所分的工是不一样的。

进程之间通过进程调度来切换控制权，当某个fork出的新进程获取到了控制流后，首当其中执行的代码是current->context->eip所指向的代码，此时新进程仍处于内核态，但实际上我们想在用户态中执行代码，所以我们需要从内核态切换回用户态，也就是中断返回。此时会遇上两个问题：
- 新进程如何执行中断返回？ 这就是proc->context.eip = (uintptr_t)forkret的用处。forkret会使新进程正确的从中断处理例程中返回。
- 新进程中断返回至用户代码时的上下文为？ 这就是proc_struct->tf的用处。中断返回时，新进程会恢复保存的trapframe信息至各个寄存器中，然后开始执行用户代码。

练习2：为新创建的内核线程分配资源（需要编码）

创建一个内核线程需要分配和设置好很多资源。kernel_thread函数通过调用do_fork函数完成具体内核线程的创建工作。do_kernel函数会调用alloc_proc函数来分配并初始化一个进程控制块，但alloc_proc只是找到了一小块内存用以记录进程的必要信息，并没有实际分配这些资源。ucore一般通过do_fork实际创建新的内核线程。do_fork的作用是，创建当前内核线程的一个副本，它们的执行上下文、代码、数据都一样，但是存储位置不同。在这个过程中，需要给新内核线程分配资源，并且复制原进程的状态。你需要完成在kern/process/proc.c中的do_fork函数中的处理过程。它的大致执行步骤包括：

调用alloc_proc，首先获得一块用户信息块。
为进程分配一个内核栈。
复制原进程的内存管理信息到新进程（但内核线程不必做此事）
复制原进程上下文到新进程
将新进程添加到进程列表
唤醒新进程
返回新进程号

do_fork函数代码如下：

int
do_fork(uint32_t clone_flags, uintptr_t stack, struct trapframe *tf) {int ret = -E_NO_FREE_PROC;struct proc_struct *proc;if (nr_process >= MAX_PROCESS) {goto fork_out;}ret = -E_NO_MEM;//LAB4:EXERCISE2 YOUR CODEif ((proc = alloc_proc()) == NULL) {goto fork_out;}proc->parent = current;if (setup_kstack(proc) != 0) {goto bad_fork_cleanup_kstack;}if (copy_mm(clone_flags, proc) != 0) {goto bad_fork_cleanup_proc;}copy_thread(proc, stack, tf);int intr_flag;local_intr_save(intr_flag);{proc->pid = get_pid();hash_proc(proc);list_add(&proc_list, &proc->list_link);nr_process++;}local_intr_restore(intr_flag);wakeup_proc(proc);ret = proc->pid;
fork_out:return ret;bad_fork_cleanup_kstack:put_kstack(proc);
bad_fork_cleanup_proc:kfree(proc);goto fork_out;
}

实现过程如下：

call alloc_proc to allocate a proc_struct
call setup_kstack to allocate a kernel stack for child process
call copy_mm to dup OR share mm according clone_flag
call copy_thread to setup tf & context in proc_struct
insert proc_struct into hash_list && proc_list
call wakeup_proc to make the new child process RUNNABLE
set ret vaule using child proc’s pid

请在实验报告中简要说明你的设计实现过程。请回答如下问题：

请说明ucore是否做到给每个新fork的线程一个唯一的id？请说明你的分析和理由。

也就是get_pid函数是否能返回一个唯一的id。

从代码可以看到，

第一次被调用时，next_safe，last_pid刚开始赋值为8192，first time last_pid = 1，也就如果last_pid小于next_safe，那么是安全的。

如果last_pid大于next_safe/MAX_PID，不一定是安全的，此时就需要遍历proc_list，重新对last_pid和next_safe进行设置，为下一次的get_pid调用打下基础。

// get_pid - alloc a unique pid for process
static int
get_pid(void) {// MAX_PID = 8192static_assert(MAX_PID > MAX_PROCESS);struct proc_struct *proc;// proc 链表list_entry_t *list = &proc_list, *le;// next_safe = 8192, last_pid = 8192static int next_safe = MAX_PID, last_pid = MAX_PID;// first time last_pid = 1if (++ last_pid >= MAX_PID) {last_pid = 1;goto inside;}if (last_pid >= next_safe) {inside:next_safe = MAX_PID;repeat:le = list;while ((le = list_next(le)) != list) {proc = le2proc(le, list_link);// last_pid if (proc->pid == last_pid) {if (++ last_pid >= next_safe) {if (last_pid >= MAX_PID) {last_pid = 1;}next_safe = MAX_PID;goto repeat;}}else if (proc->pid > last_pid && next_safe > proc->pid) {next_safe = proc->pid;}}}return last_pid;
}

练习3：阅读代码，理解 proc_run 函数和它调用的函数如何完成进程切换的。（无编码工作）

请在实验报告中简要说明你对proc_run函数的分析。

void proc_run(struct proc_struct *proc) {if (proc != current) {bool intr_flag;struct proc_struct *prev = current, *next = proc;local_intr_save(intr_flag);{current = proc;load_esp0(next->kstack + KSTACKSIZE);lcr3(next->cr3);switch_to(&(prev->context), &(next->context));}local_intr_restore(intr_flag);}
}

proc_run代码如上所示，从init.c的kern_init->cpu_idle->schedule从proc_list找到需要执行的proc

主要步骤：

current = proc，把当前proc设置为将要运行的proc
load_esp0, 设置ts的ts_esp0（设置TSS中ring0的内核栈地址）为kstack + KSTACKSIZE
lcr3加载cr3为将要运行的proc的cr3
switch_to切换context，从当前运行的proc，切换为即将要运行的proc

回答如下问题：

在本实验的执行过程中，创建且运行了几个内核线程？

两个，idle_proc, init_proc。
语句local_intr_save(intr_flag);....local_intr_restore(intr_flag);在这里有何作用?请说明理由

保证两个语句中间的代码是原子操作不被打断，即disable_interrupt和enable_interrupt。

完成代码编写后，编译并运行代码：make qemu

如果可以得到如附录A所示的显示内容（仅供参考，不是标准答案输出），则基本正确。

ucore内核进程的初始化与切换

实验指导书大概讲了一下内核进程切换的过程，但是并不能一眼就看出来是如何完成切换的。在调试过程中跟踪执行流程、寄存器和堆栈信息，这样能更清晰的看到ucore是如何完成进程切换的。

ucore两个进程的初始化都在proc_init里面完成。

idle_proc的初始化：

init_main的初始化：

ucore内核进程的切换（如何从idle切换到init_main）：

可以清楚的看到，switch_to切换了上下文，重新设置EIP后，ret会跳转到forkret，而forkret会调用到forkrets，之后forkrets利用中断返回iret，返回到tf里面设置的EIP指向的地址，也就是kernel_thread_entry，在kernel_thread_entry里面会调用此线程设置的将要真正执行的方法init_main，执行完成后再调用do_exit结束lab4的运行。

扩展练习Challenge：实现支持任意大小的内存分配算法

这不是本实验的内容，其实是上一次实验内存的扩展，但考虑到现在的slab算法比较复杂，有必要实现一个比较简单的任意大小内存分配算法。可参考本实验中的slab如何调用基于页的内存分配算法（注意，不是要你关注slab的具体实现）来实现first-fit/best-fit/worst-fit/buddy等支持任意大小的内存分配算法。。

后面补上

【注意】下面是相关的Linux实现文档，供参考

SLOB

http://en.wikipedia.org/wiki/SLOB http://lwn.net/Articles/157944/

SLAB

https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-linux-slab-allocator/

参考：

设计关键数据结构 – 进程控制块 · ucore_os_docs (gitbooks.io)

uCore实验 - Lab4 | Kiprey’s Blog

ucore进程上下文切换关键代码分析_111尽力而为的博客-CSDN博客