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实验概述

温（守）馨（住）提（红）示（线）

本课程实验已引入代码自动查重系统，请同学们保持学术诚信！

提示

本节实验与理论课的 导论与操作系统结构 和 进程与线程：进程 这两章课程内容相关，在开始实验前，请复习这两章课程内容。

1. 实验目的

  本节实验的目的是对操作系统的系统调用模块进行修改，尽可能在真正修改操作系统之前，先对操作系统有一定的了解。

  1. 了解xv6系统调用的工作原理。
  2. 熟悉xv6通过系统调用给用户程序提供服务的机制。
  3. 熟悉进程上下文切换的过程。
  4. 了解进程的完整生命周期。

2. 实验学时

  本实验为4学时。

3. 实验内容及要求

  实验要求可以参考MIT XV6 lab2和lab4提供的部分官方说明：[Lab: System calls(mit.edu)] 、[Lab: Trap(mit.edu)]， 但请以指导书为准，否则可能无法通过测试！

3.1 切换分支

请先同步上游远程仓库，并注意切换到syscall分支进行试验

本次实验基于syscall分支，请同学们注意切换。

首先， 保存实验一的代码，请参考实验实用工具的3.3.1 使用命令行完成操作或者3.3.2 使用VSCode内建的图形化界面完成操作这两小节，完成commit操作。或者， 如果你希望直接放弃掉上一次commit后的所有更改 ，那么你也可以使用-f选项强制切换分支，例如git checkout -f syscall。

接着按照如下步骤进行分支切换：

  1. 如下图，通过git remote -v可以看到此时关联的所有远程仓库，然后从中找出对应的链接是我们的官方仓库(https://gitee.com/ftutorials/xv6-oslab24-hitsz.git或者git@gitee.com:ftutorials/xv6-oslab24-hitsz.git)的远程仓库名字（图中是origin，同学们可能是upstream之类的别的名字）

  2. 如下图，通过git fetch 官方远程仓库名字获取远程仓库的所有分支及标签

  3. 如下图，通过git branch查看目前本地是否已经存在syscall分支：

    • 若已存在syscall分支，需要先输入git branch -D syscall删掉该本地分支（这是为了避免后续merge带来不必要的麻烦，如果你已经在该分支做了一些改动，请 手动备份你改动的代码至别处 ），再输入git checkout --track 官方远程仓库名字/syscall切换至syscall分支；
    • 若不存在syscall分支，则直接输入git checkout --track 官方远程仓库名字/syscall切换至syscall分支；

  4. 通过git pull 官方远程仓库名字 syscall以获取syscall分支的最新版本。

  我们建议同学们在切换分支之后进行make clean将上一个分支的fs.img删除，不然会出现无法启动qemu的问题（会显示fs.img被其他的进程占用）。

  本次实验需要为xv6实现一些必要的系统调用和功能，在完成这些之后，你就可以正常使用exittest, waittest和yieldtest测试程序。具体来说，本实验有三部分：

3.2 任务一：进程信息收集

  在该任务中，你需要在理解xv6的exit系统调用的基础上，实现 进程在退出时打印自己的父进程和子进程的信息 这一功能。

  具体要求：在exit系统调用当中寻找合适的输出时间点，在相应的函数内进行父子进程信息的打印。

3.2.1 exit系统调用的功能

void exit(int status)

  1. 参数status ：退出状态，0表示正常退出，-1（大部分）表示异常退出。
  2. 返回值 ：无，函数调用exit之后该进程在内核态进行exit相关的资源回收之后，对应进程终止，不会返回。
  3. 功能 ：回收进程资源，回收完毕之后终止进程。
    • exit系统调用在处理当前进程的资源时，大致流程为：关闭所有打开文件 -> 调用reparent将当前进程的所有子进程交给初始进程init -> 更改当前进程状态 -> 手动进入调度器（等待回收）。详细原理请参考实验原理部分。
    • 本任务 需要完成 的信息输出格式：
      当前进程的父进程的信息输出格式 ： proc PID exit, parent pid PID, name NAME, state STATE
      当前进程的子进程的信息输出格式 ：proc PID exit, child CHILD_NUM, pid PID, name NAME, state STATE
      其中，PID代表进程的进程号，CHILD_NUM表示该信息是第几个子进程的信息，NAME表示父进程或者子进程名，STATE表示父进程或子进程状态，注意：这里统一用小写字母表示进程状态。

提示

大家不要使用printf输出， 请使用我们为大家封装好的exit_info函数输出 ，exit_info提供不同颜色和标记的输出，可以更加清晰地看出哪些是本任务需要的打印输出。

该函数的使用方法与printf一样，例如：exit_info("proc %d exit\n", p->pid);

3.2.2 运行结果

  实验提供了一个exittest（见 user/exittest.c）用户级应用程序，该程序首先通过fork系统调用创建3个子进程，并通过sleep保证父进程在退出时子进程还没有退出，然后父进程先退出，3个子进程再退出。

提示

大家不要修改 user/exittest.c应用程序，它只是用于测试3.2.1 exit系统调用的功能。

  在你实现完上述功能之后，运行用户程序 exittest运行正确的情况下，你可以看到以下输出：

[cs@localhost xv6-oslab24-hitsz]$ make qemu

/* 一大波输出 …… */

xv6 kernel is booting

hart 1 starting
hart 2 starting
init: starting sh
$

/* 手动输入exittest */

$ exittest
exit test
[INFO] proc 3 exit, parent pid 2, name sh, state sleep
[INFO] proc 3 exit, child 0, pid 4, name child0, state sleep
[INFO] proc 3 exit, child 1, pid 5, name child1, state sleep
[INFO] proc 3 exit, child 2, pid 6, name child2, state sleep
$ [INFO] proc 5 exit, parent pid 1, name init, state runble
[INFO] proc 4 exit, parent pid 1, name init, state run
[INFO] proc 6 exit, parent pid 1, name init, state run

  我们先不着急动手，先看看结果长什么样。在输出当中，存在两种不同的输出：

  对当前进程的父进程的信息的输出： 

[INFO] proc 3 exit, parent pid 2, name sh, state sleep
  以及对当前进程的子进程的信息的输出： 
[INFO] proc 3 exit, child 0, pid 4, name child0, state sleep
  同时可以看到3号进程的子进程，在3号进程死后，它们的父进程都变成了init进程： 
$ [INFO] proc 5 exit, parent pid 1, name init, state runble
[INFO] proc 4 exit, parent pid 1, name init, state run
[INFO] proc 6 exit, parent pid 1, name init, state run
  关于这点我们会在实验原理当中详细介绍。
  你需要使用尝试在与exit相关的函数当中找到 合适的位置 来进行输出，我们建议你先阅读实验原理，这会帮助你更好的了解系统调用和exit的工作流程。

3.3 任务二：wait系统调用的非阻塞选项实现

  在该任务中，你需要 对wait系统调用进行更改，使其增加一个非阻塞选项参数int flags，当flags为1时表示不需要进行阻塞等待，否则需要进行阻塞等待。

  • 原版阻塞实现的wait ：int wait(int *status)，其中参数status表示存储子进程退出状态的地址。在kernel/proc.c当中的wait函数内的结尾处，xv6通过以下代码实现wait的阻塞等待： 

    // Wait for a child to exit.
sleep(p, &p->lock);  // DOC: wait-sleep
    在父进程调用该函数之后，通过sleep进行睡眠，无法再执行其他任务，也就是阻塞在这里。

  • 本任务需要实现的wait ：int wait(int *status, int flags)，其中flags参数用以 表示是否阻塞等待 子进程退出。用户态的wait接口我们已经帮同学们更改了，同学们需要将内核态的wait系统调用的更改。

  具体来说，同学们需要：

  1. 尝试在kernel/sysproc.c的sys_wait函数中获取新添加的参数；
  2. 更改kernel/defs.h头文件中的wait的定义；
  3. 更改wait函数以满足当前的语义。

  实验提供了一个waittest用户级应用程序（见user/waittest.c）。

  完成任务后，你可以在xv6中运行waittest程序，通过测试会显示如下内容：

waittest-result

3.4 任务三：实现yield系统调用

  你需要实现一个新的系统调用 yield，它可以使当前进程让出CPU，从而使CPU可以调度到别的进程。当然，该进程只是暂时被挂起，根据我们在课上学过的进程调度算法，如Round-Robin即时间片轮转调度算法，该进程很快便会再次被CPU调度到，从而从yield系统调用中返回，继续执行该进程后面的代码。

  另外我们的实验还有些额外要求，当调用yield系统调用时：

  1. 需要打印进程的内核线程上下文被保存的地址范围，按如下格式打印： 
    Save the context of the process to the memory region from address 0x??? to 0x???
  2. 需要打印当前进程的pid和此进程在用户态的pc值，也就是陷入内核的那条指令地址，即ecall指令的地址，详情见系统调用的接口中提到的系统调用步骤，按如下格式打印： 
    Current running process pid is ??? and user pc is 0x???
  3. 需要打印即将被调度到的进程的pid和此时用户态的pc值，按如下格式打印： 
    Next runnable process pid is ??? and user pc is 0x???
      也就是在某些位置，分别添加上这样几句代码： 
    printf("Save the context of the process to the memory region from address %p to %p\n", ?, ?);
printf("Current running process pid is %d and user pc is %p\n", ?, ?);
printf("Next runnable process pid is %d and user pc is %p\n", ?, ?);
  4. 将当前进程让出CPU，从而调度到别的进程。

  实验提供了一个yieldtest用户态测试程序（见user/yieldtest.c）。完成任务后，你可以在xv6中运行yieldtest程序，不过有以下几点需要注意：

  • （1） 需要手动将yieldtest添加进Makefile中进行编译，即找到UPROGS变量，添加一行：

  • （2） 该任务测试的时候需要 设置CPU的数量为1 ，即使用如下命令运行xv6: 

    make qemu CPUS=1

  正确完成任务后 yieldtest的输出如下(你的具体数字可能不同，但是能通过./grade-lab-syscall yield测试即可)：

3.5 测试

  当完成上述的三个任务后，你需要在xv6-oslab24-hitsz目录下，新建time.txt文件，在该文件中写入你做完这个实验所花费的时间（估算一下就行，单位是小时），只需要写一个整数即可。

  最后，在命令行输入 make grade 进行测试。如果通过测试，会显示如下内容：

image-20211005131516101