Lab3 Page tables

Lab链接：Lab: page tables

Lab源码：momo/MIT-6S081/pgtbl - Gitee.com

1 Speed up system calls

题目

创建进程时，在虚拟地址USYSCALL映射一个只读页面。在此页面的开头，存储一个结构体usyscall（也在memlayout.h中定义），并以当前进程PID初始化该结构体。

思路

在 kernel/proc.h 中：

• 在进程结构体 struct proc 中增加字段 struct usyscall *usyscall;，用于存储指向共享页的指针

在 kernel/proc.c 中：

• 创建进程时，需为共享页分配物理页，并将其映射到进程的虚拟地址空间
• 在销毁进程页表之前，必须取消所有物理页在虚拟内存中的映射，确保资源正确释放。因此，无论是进程正常退出，还是创建进程过程中因映射失败而退出，都应在调用页表销毁函数之前，先执行取消映射的操作

报错：【panic：freewalk：leaf】

定位：只有uvmfree调用了freewalk；多处调用uvmfree之前使用uvunmap unmap页表项

释放页表之前，要先unmap页表的对应关系，即清除pte中的PTE_V为0：

• 三、二级页表：(pte & PTE_V) && (pte & (PTE_R|PTE_W|PTE_X)) == 0
• 一级页表：pte & PTE_V == 1

freewalk在释放一级页表时，如果一级页表项是有效的（pte & PTE_V == 1），则发生上述错误

所以调用freewalk之前，需要unmap一级页表页表项

源码

kernel/proc.h

// struct proc
struct usyscall *usyscall;

kernel/proc.c

void allocproc() {
  // Allocate a USYSCALL page for kernel to share with
  if((p->usyscallpage = (pagetable_t)kalloc()) == 0){
    freeproc(p);
    release(&p->lock);
    return 0;
  }
  p->usyscall->pid = p->pid;
}

void proc_pagetable() {
    // map the usyscall just below USYSCALL
    if(mappages(pagetable, USYSCALL, PGSIZE,
              (uint64)(p->usyscall), PTE_R | PTE_U) < 0){
        uvmunmap(pagetable, USYSCALL, 1, 0);
        uvmfree(pagetable, 0);
        return 0;
    }
}

void freeproc() {
  if(p->usyscall)
    kfree((void*)p->usyscall);
  p->usyscall = 0; 
}

void proc_freepagetable(pagetable_t pagetable, uint64 sz) {
  uvmunmap(pagetable, USYSCALL, 1, 0);
  // ...
} 

2 Print a page table​​

题目

打印进程页表中所有页表项的信息

思路

定义两个函数：

• vmprint(pagetable_t)：接收进程页表的地址作为参数
• vmsprint(pagetable_t, int level)：接收任意页表地址和当前页表层级，递归打印该页表及其所有子页表项的信息

vmsprint(pagetable_t, int level) 的具体流程如下：

1. 若当前为最末级页表（level == 3），说明已是数据页，无需进一步处理，直接返回
2. 否则，当前页表为中间层级页表，需遍历其所有页表项
3. 对于每一个有效的页表项（pte & PTE_V ）：
   • 打印该页表项对应的虚拟地址范围、物理地址及权限标志
   • 传入下一级页表地址和层级，递归调用 vmsprint

源码

kernel/vm.c

void vmprint(pagetable_t pagetable) {
  printf("page table %p\n", *pagetable);
  vmsprint(pagetable, 0);
}

void vmsprint(pagetable_t pagetable, int depth) {
  if(depth == 3)
    return;
        
  pte_t pte;
  uint64 child;

  for(int i = 0; i < 512; ++i) {
    pte = pagetable[i];
    if(pte & PTE_V) {
      printf("..");
      for(int k = 0; k < depth; ++k) {
        printf(" ..");
      }
      child = PTE2PA(pte);
      printf("%d: pte %p pa %p\n", i, pte, child);
      vmsprint((pagetable_t)child, depth+1);
    }
  }
}

C语言中，使用%p占位符打印指针变量的值，也就是虚拟地址。

int *p;
printf("the address is %p\n", p);

PTE_R & PTE_W & PTE_X // x

3 Detecting which pages have been accessed​

题目

实现pgaccess系统调用，汇报哪些page在上次该系统调用之前被修改或访问过，包含以下三个参数：

• va：待检查的第一个user page的虚拟地址
• checknum：检查页数
• dstva：位于用户空间，用于存储结果的缓冲区的虚拟地址（最低位对应第一页）

思路

4. 计算虚拟地址 va 对应页的起始地址
5. 调用 walk() 查找该页对应的页表项
6. 若页表项中访问位（PTE_A）已被设置，则将该页在掩码（mask）中的对应位置为1，并清除 PTE_A 位，防止干扰后续检查
7. 将最终得到的掩码从内核空间复制回用户空间

源码

kernel/riscv.h

#define PTE_A (1L << 6) // 必须设置为6

kernel/sysproc.c

直接利用walk版

int sys_pgaccess(void) {
  uint64 va, base_va, mask_addr;
  int len, i;
  unsigned int mask = 0;
  struct proc *p;
  pte_t *pte;

  if(argaddr(0, &base_va) < 0 || argint(1, &len) < 0 || argaddr(2, &mask_addr) < 0)
    return -1;
  
  if(len <= 0 || len >= MAX_PGACCESS_CNT)
    return -1;
    
  if(base_va >= MAXVA)
    return -1;
  
  p = myproc();

  va = PGROUNDDOWN(base_va);
  for(i = 0; i < len; i++) {
    pte = walk(p->pagetable, va, 0);
    if(!pte)
      return -1;
    if(*pte & PTE_A) {
      mask = mask | (1 << i);
      *pte = *pte & (~PTE_A);
    }
    va += PGSIZE;
  }

  if(copyout(p->pagetable, mask_addr, (char*)(&mask), sizeof(mask)) < 0)
    return -1;

  return 0;
}

自行寻找页表项版

uint64 sys_pgaccess(void) {
  uint64 va, dstva, mask = 0L;
  int i, level, checknum;
  struct proc *p;
  pagetable_t pagetable;
  pte_t *pte;

  if(argaddr(0, &va) < 0 || argint(1, &checknum) < 0 || argaddr(2, &dstva) < 0) 
    return -1;

  if(va >= MAXVA || checknum > 64)
    return -1;

  va = PGROUNDDOWN(va);

  p = myproc();

  for(i = 0; i < checknum; ++i) {
    pagetable = p->pagetable;
    for(level = 2; level > 0; level--) {
      pte = &pagetable[PX(level, va)];
      pagetable = (pagetable_t)PTE2PA(*pte);
    }
    pte = &pagetable[PX(0, va)];
    if(*pte & PTE_A) {
      mask |= 1 << i;
      *pte &= (~PTE_A);
    }
    va += PGSIZE;
  }

  if(copyout(p->pagetable, dstva, (char *)&mask, (uint64)(sizeof(mask))) < 0)
    return -1;
  return 0;
}

#define PTE_A (1L << 5) // x