本实验需要掌握内核页表、用户页表的布局，切换原理，初始化过程，遍历逻辑等方面，可以参考xv6源码分析--页表。
一、Speed up system calls
1 问题分析
加速系统调用，希望能够在用户态直接返回，不需要进入内核态，减少上下文切换。
要想实现这样的效果，我觉得需要满足以下条件：
- 系统调用的返回结果比较简单而且固定不变，是创建进程时就能够确定的字段，比如pid。
页表布局用户页表上加一页USYSCALL，并且USYSCALL必须是用户态能够访问的、只读的。
2 代码实现
代码语言：c复制//memlayout.h
#ifdef LAB_PGTBL
#define USYSCALL (TRAPFRAME - PGSIZE)
struct usyscall {
int pid; // Process ID
};
#endif
//1 在proc结构体中增加一个字段
struct usyscall *usyscall;
//2 进程初始化时分配空间并赋值
static struct proc*
allocproc(void)
{
struct proc *p;
//...
//Allocate a shared page.
if((p->usyscall = (struct usyscall *)kalloc()) == 0){
freeproc(p);
release(&p->lock);
return 0;
}
p->usyscall->pid=p->pid;
// An empty user page table.
p->pagetable = proc_pagetable(p);
//...
return p;
}
pagetable_t
proc_pagetable(struct proc *p)
{
pagetable_t pagetable;
//...
if(mappages(pagetable, USYSCALL, PGSIZE,
(uint64)p->usyscall, PTE_R | PTE_U) < 0){
uvmunmap(pagetable, USYSCALL, 1, 0);
uvmfree(pagetable, 0);
return 0;
}
return pagetable;
}
//3 释放用户页表时释放空间，跟trapframe一样
static void
freeproc(struct proc *p)
{
if(p->trapframe)
kfree((void*)p->trapframe);
if(p->usyscall)
kfree((void*)p->usyscall);
p->trapframe = 0;
p->usyscall=0;
if(p->pagetable)
proc_freepagetable(p->pagetable, p->sz);
p->pagetable = 0;
p->sz = 0;
p->pid = 0;
p->parent = 0;
p->name[0] = 0;
p->chan = 0;
p->killed = 0;
p->xstate = 0;
p->state = UNUSED;
}
void
proc_freepagetable(pagetable_t pagetable, uint64 sz)
{
//移除页表项，但是不能直接释放物理页
uvmunmap(pagetable, TRAMPOLINE, 1, 0);
uvmunmap(pagetable, TRAPFRAME, 1, 0);
uvmunmap(pagetable, USYSCALL, 1, 0);
uvmfree(pagetable, sz);
}二、vmprint
1 问题分析
打印pid=1的用户页表，效果如下：
image.png参考freewalk实现。
2 代码实现
代码语言：c复制void
vmprinthelper(pagetable_t pagetable, int level){
char *indent;
if(level==2){
indent="..";
}else if(level==1){
indent=".. ..";
}else{
indent=".. .. ..";
}
// there are 2^9 = 512 PTEs in a page table.
for(int i = 0; i < 512; i ){
pte_t pte = pagetable[i];
if(pte & PTE_V){
// this PTE points to a lower-level page table.
uint64 child = PTE2PA(pte);
printf("%s%d: pte %p pa %pn",indent,i,pte,PTE2PA(pte));
if(level>0){
vmprinthelper((pagetable_t)child,level-1);
}
}
}
}
//print user page table
void
vmprint(pagetable_t pagetable){
printf("page table %pn",pagetable);
vmprinthelper(pagetable,2);
}三、Detecting which pages have been accessed
1 问题分析
添加系统调用pgaccess，用于获取从上次pgaccess到现在，该页面是否被访问过。入参是页面起始地址、页面数量、返回结果地址，出参是这些页面的access状态，一个bit表示一个page的access状态。
- 通过argint、argaddr获取整数或者地址。
- 定义一个PTE_A，左移6位。
- 设置上限，并且进行地址越界判断。
- 通过copyout向用户页表写入返回结果。
2 copyout
进程从用户态经过trampoline，保存寄存器到tramframe，并将satp设置为内核页表的地址，最后进入内核态。那在内核态如何向用户态写入返回结果呢？进程proc中保存了用户页表最高级目录的物理地址，我们可以将用户页表看成一个数据结构，以软件的形式去访问它，找到对应虚拟地址的物理地址，最后解引用直接将数据写入到物理页。
代码语言：c复制//从内核将数据拷贝到用户态，采用的是直接解引用，写入到物理内存中的方式，并没有为每个进程维护一个内核页表
int
copyout(pagetable_t pagetable, uint64 dstva, char *src, uint64 len)
{
uint64 n, va0, pa0;
while(len > 0){
va0 = PGROUNDDOWN(dstva);
pa0 = walkaddr(pagetable, va0);
if(pa0 == 0)
return -1;
n = PGSIZE - (dstva - va0);
if(n > len)
n = len;
memmove((void *)(pa0 (dstva - va0)), src, n);
len -= n;
src = n;
dstva = va0 PGSIZE;
}
return 0;
}3 代码实现
代码语言：c复制#ifdef LAB_PGTBL
int
sys_pgaccess(void)
{
uint64 startaddr,outaddr;
int number;
if(argaddr(0,&startaddr)<0){
return -1;
}
if(argint(1,&number)<0){
return -1;
}
if(argaddr(2,&outaddr)<0){
return -1;
}
return pgaccess(myproc()->pagetable,startaddr,number,outaddr);
}
#endif
//检测startaddr--startaddr number*PGSIZE这个范围哪些页面，自上次调用pgaccess以来被访问过，
//outaddr是用户态地址，用于返回结果
int pgaccess(pagetable_t pagetable,uint64 startaddr,int number, uint64 outaddr){
if(pagetable==0 || number>32 ){
return -1;
}
if(outaddr 4>=MAXVA || startaddr number*PGSIZE>=MAXVA){
return -1;
}
int accessed;
for (int i = 0; i < number; i ){
pte_t *pte=walk(pagetable,startaddr i*PGSIZE,0);
if(pte!=0 && ((*pte)&PTE_A)){
accessed|=1<<i;
*pte^=PTE_A; //清除PTE_A
}
}
return copyout(pagetable,outaddr,(char*)&accessed,sizeof accessed);
}
测试结果
