Lab 5：Lazy Page Allocation
课程地址：https://pdos.csail.mit.edu/6.828/2020/schedule.html
Lab 地址：https://pdos.csail.mit.edu/6.828/2020/labs/lazy.html
代码仓库：https://github.com/ajackchan/my-xv6-riscv/tree/lazy
Lazytests and Usertests
实现一个内存页懒惰分配机制，在调用 sbrk() 的时候，不立即分配内存，而是只作记录。在访问到这一部分内存的时候才进行实际的物理内存分配。
1.修改 sys_sbrk() 函数
在 kernel/sysproc.c 中修改 sys_sbrk() 函数，只修改虚拟内存大小而不立即分配物理内存。
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| uint64
sys_sbrk(void)
{
int addr;
int n;
struct proc *p = myproc();
if(argint(0, &n) < 0)
return -1; // 获取参数失败，返回错误
addr = p->sz; // 获取当前进程的地址空间大小
if(n < 0) {
uvmdealloc(p->pagetable, p->sz, p->sz+n);
}
p->sz += n; // 调整虚拟地址空间大小
return addr; // 返回原始大小
}
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2.用户态异常处理 (usertrap())
在 kernel/trap.c 中处理缺页异常，并且在需要时分配物理内存。
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| void
usertrap(void)
{
......
syscall();
} else if((which_dev = devintr()) != 0){
// ok
} else {
uint64 va = r_stval();
if((r_scause() == 13 || r_scause() == 15) && uvmshouldtouch(va)){ // 缺页异常，并且发生异常的地址进行过懒分配
uvmlazytouch(va); // 分配物理内存，并在页表创建映射
} else { // 如果不是缺页异常，或者是在非懒加载地址上发生缺页异常，则抛出错误并杀死进程
printf("usertrap(): unexpected scause %p pid=%d\n", r_scause(), p->pid);
printf(" sepc=%p stval=%p\n", r_sepc(), r_stval());
p->killed = 1;
}
}
......
}
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3.物理内存分配 (uvmlazytouch())
在 kernel/vm.c 中实现物理内存的分配和映射。
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| // 触摸一个懒惰分配的页面，将其映射到一个实际的物理页面。
void uvmlazytouch(uint64 va) {
struct proc *p = myproc();
char *mem = kalloc();
if (mem == 0) {
// 分配物理内存失败
printf("lazy alloc: out of memory\n");
p->killed = 1;
}
else{
memset(mem, 0, PGSIZE); // 初始化内存
uint64 rounded_va = PGROUNDDOWN(va);
if (mappages(p->pagetable, rounded_va, PGSIZE, (uint64)mem, PTE_W|PTE_X|PTE_R|PTE_U) != 0) {
printf("lazy alloc: failed to map page\n");
kfree(mem); // 映射失败时释放已分配的内存
p->killed = 1;
}
}
}
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4.地址验证 (uvmshouldtouch())
在 kernel/vm.c 中，添加一个函数来验证是否需要懒加载处理。
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| int uvmshouldtouch(uint64 va) {
struct proc *p = myproc();
return va < p->sz // 地址在进程内存范围内
&& PGROUNDDOWN(va) != r_sp() // 非栈的保护页
&& (walk(p->pagetable, va, 0) == 0 || (*(walk(p->pagetable, va, 0)) & PTE_V) == 0);
}
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5.修改其他内核函数
对其他内核函数做适当修改，以支持懒加载机制。
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| // uvmunmap: 取消虚拟地址映射
void
uvmunmap(pagetable_t pagetable, uint64 va, uint64 npages, int do_free)
{
uint64 a;
pte_t *pte;
if((va % PGSIZE) != 0)
panic("uvmunmap: not aligned");
for(a = va; a < va + npages*PGSIZE; a += PGSIZE){
if((pte = walk(pagetable, a, 0)) == 0)
continue;
if((*pte & PTE_V) == 0)
continue;
if(PTE_FLAGS(*pte) == PTE_V)
panic("uvmunmap: not a leaf");
if(do_free){
uint64 pa = PTE2PA(*pte);
kfree((void*)pa);
}
*pte = 0;
}
}
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| // uvmcopy: 将父进程的页表以及内存拷贝到子进程
int
uvmcopy(pagetable_t old, pagetable_t new, uint64 sz)
{
pte_t *pte;
uint64 pa, i;
uint flags;
char *mem;
for(i = 0; i < sz; i += PGSIZE){
if((pte = walk(old, i, 0)) == 0)
continue;
if((*pte & PTE_V) == 0)
continue;
pa = PTE2PA(*pte);
flags = PTE_FLAGS(*pte);
if((mem = kalloc()) == 0)
goto err;
memmove(mem, (char*)pa, PGSIZE);
if(mappages(new, i, PGSIZE, (uint64)mem, flags) != 0){
kfree(mem);
goto err;
}
}
return 0;
err:
uvmunmap(new, 0, i / PGSIZE, 1);
return -1;
}
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| // copyin() 和 copyout(): 内核/用户态之间互相拷贝数据
int
copyout(pagetable_t pagetable, uint64 dstva, char *src, uint64 len)
{
uint64 n, va0, pa0;
if(uvmshouldtouch(dstva))
uvmlazytouch(dstva);
// ......
}
int
copyin(pagetable_t pagetable, char *dst, uint64 srcva, uint64 len)
{
uint64 n, va0, pa0;
if(uvmshouldtouch(srcva))
uvmlazytouch(srcva);
// ......
}
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测试结果
lazytests测试
usertests测试
