MIT 6.S081 Lab2: system calls

介绍

先看了一下所需要的系统调用方面的知识，然后花了两天时间做完了实验二，实验手册在 syscall，我的实验代码在 github。

实验二的目的是让我们实现两个系统调用函数，先来简单介绍一下前置知识。

操作系统的主要功能就是管理硬件，避免程序直接和硬件进行交互，而是通过内核来操作硬件，例如，使用CPU、读取内存和写入磁盘等操作。操作系统具有两大特性：隔离性（Isolation）和防御性（Defensive）。

• 隔离性主要目的是分离程序和硬件资源，避免程序直接使用硬件资源。如果不进行隔离，无法保证程序之间的切换，且一个程序可能会读写其他程序的内存，导致其他程序无法继续运行下去。隔离性能够很好地保证 cpu 的多路复用（进程切换、cpu 分时使用）和进程之间内存的隔离（虚拟内存，每个进程有自己的内存）。

• 防御性是指，并不是所有的指令进程都可以执行的。操作系统将指令划分了四个等级（R0-R3，其中R0的等级最高，可以执行任何指令），同时划分了两个状态，用户态和内核态。用户态执行的程序的等级较低，可以执行的指令有限；而内核态程序的等级较高，可以执行任何指令。这样可以避免恶意程序的攻击。

系统调用的功能就是用户态的程序需要执行等级更高的指令时，需要先切换到内核态，在内核态执行完后，再切换到用户态。过程如下图所示：

切换时，使用的是 cpu 特定的中断符号。所有的系统调用都是通过该中断进入到内核态中，并将所需要的执行的指令码传入到中断内核态中。内核态的程序取出指令码，执行相应的指令，然后返回到用户态。

个人觉得，如果理解了这篇文章内的图 MIT-6.S081-2020实验（xv6-riscv64）二：syscall ，就可以很好地做实验了。大概讲了一下实验中系统调用的流程。

实验内容

实验内容是实现两个系统调用函数，分别是 System call tracing 和 Sysinfo。

任务一（trace）

首先，需要知道的是，用户态的代码都在 user 文件夹内，内核态的代码都在 kernel 文件夹内。在上一个实验中，主要是在用户态内实现进程之间的创建和通信等功能，因此只需要在 user 文件夹内写代码。在这个任务中，user/trace.c 文件已经给出，重点是内核态部分。

第一步，Makefile

根据实验指导书，首先需要将 $U/_trace 添加到 Makefile 的 UPROGS 字段中。

第二步，添加声明

然后需要添加一些声明才能进行编译，进而启动 qemu。需要以下几步：

1. 可以看到，在 user/trace.c 文件中，使用了 trace 函数，因此需要在 user/user.h 文件中加入函数声明：int trace(int);；

2. 同时，为了生成进入中断的汇编文件，需要在 user/usys.pl 添加进入内核态的入口函数的声明：entry("trace");，以便使用 ecall 中断指令进入内核态；

3. 同时在 kernel/syscall.h 中添加系统调用的指令码，这样就可以编译成功了。

说明：

• 在生成的 user/usys.S 文件中可以看到，汇编语言 li a7, SYS_trace 将指令码放到了 a7 寄存器中。在内核态 kernel/syscall.c 的 syscall 函数中，使用 p->trapframe->a7 取出寄存器中的指令码，然后调用对应的函数。

第三步，实现 sys_trace() 函数

最主要的部分是实现 sys_trace() 函数，在 kernel/sysproc.c 文件中。目的是实现内核态的 trace() 函数。我们的目的是跟踪程序调用了哪些系统调用函数，因此需要在每个 trace 进程中，添加一个 mask 字段，用来识别是否执行了 mask 标记的系统调用。在执行 trace 进程时，如果进程调用了 mask 所包括的系统调用，就打印到标准输出中。

首先在 kernel/proc.h 文件中，为 proc 结构体添加 mask 字段：int mask;。

然后在 sys_trace() 函数中，为该字段进行赋值，赋值的 mask 为系统调用传过来的参数，放在了 a0 寄存器中。使用 argint() 函数可以从对应的寄存器中取出参数并转成 int 类型。

argint() 的函数声明在 kernel/defs.h 中，具体实现在 kernel/syscall.c 中。除了取出 int 型的数据函数外，还有取出地址参数的 argaddr 函数，就是将参数以地址的形式取出来，第二个任务需要使用。

sys_trace() 函数的实现：

uint64 sys_trace(void)
{
    int mask;if(argint(0, &mask) < 0) return -1;myproc()->mask = mask;return 0;
}

第四步，跟踪子进程

需要跟踪所有 trace 进程下的子进程，在 kernel/proc.c 的 fork() 代码中，添加子进程的 mask：

np->mask = p->mask;

第五步，打印信息

所有的系统调用都需要通过 kernel/syscall.c 中的 syscall() 函数来执行，因此在这里添加判断：

void
syscall(void)
{
    int num;struct proc *p = myproc();num = p->trapframe->a7;if(num > 0 && num < NELEM(syscalls) && syscalls[num]) {
    p->trapframe->a0 = syscalls[num]();if ((1 << num) & p->mask) {
    printf("%d: syscall %s -> %d\n", p->pid, syscalls_name[num], p->trapframe->a0);}} else {
    printf("%d %s: unknown sys call %d\n",p->pid, p->name, num);p->trapframe->a0 = -1;}
}

由于系统调用的函数名称没办法直接获取，因此创建了一个数组，用于存储系统调用的名称，syscalls_name 代码如下：

char* syscalls_name[] = {
    
[SYS_fork]    "fork",
[SYS_exit]    "exit",
[SYS_wait]    "wait",
[SYS_pipe]    "pipe",
[SYS_read]    "read",
[SYS_kill]    "kill",
[SYS_exec]    "exec",
[SYS_fstat]   "fstat",
[SYS_chdir]   "chdir",
[SYS_dup]     "dup",
[SYS_getpid]  "getpid",
[SYS_sbrk]    "sbrk",
[SYS_sleep]   "sleep",
[SYS_uptime]  "uptime",
[SYS_open]    "open",
[SYS_write]   "write",
[SYS_mknod]   "mknod",
[SYS_unlink]  "unlink",
[SYS_link]    "link",
[SYS_mkdir]   "mkdir",
[SYS_close]   "close",
[SYS_trace]   "trace",
};

此外，还需添加系统调用入口 extern uint64 sys_trace(void); 和 [SYS_trace] sys_trace,到 kernel/syscall.c 中。

其中的 p->trapframe->a0 存储的是函数调用的返回值。

任务二（sysinfo）

与任务一相似，也是实现一个系统调用。

第一步，添加 Makefile

根据实验指导书，首先需要将 $U/_sysinfotest 添加到 Makefile 的 UPROGS 字段中。

第二步，添加声明

同样需要添加一些声明才能进行编译，启动 qemu。需要以下几步：

1. 在 user/user.h 文件中加入函数声明：int sysinfo(struct sysinfo*);，同时添加结构体声明 struct sysinfo;；

2. 在 user/usys.pl 添加进入内核态的入口函数的声明：entry("sysinfo");；

3. 同时在 kernel/syscall.h 中添加系统调用的指令码。

第三步，获取内存信息

可以在 kernel/sysinfo.h 中查看结构体 struct sysinfo， 其中只有两个字段，一个是保存空闲内存信息，一个是保存正在运行的进程数目。

两个字段的信息都需要自己写函数调用来获取，先来获取内存信息。内存信息的处理都写在 kernel/kalloc.c 文件中了，内存信息以链表的形式存储，每个节点存储一个物理内存页。

从 kfree 函数中可以发现，每次创建一个页时，将其内容初始化为1，然后将它的下一个节点指向当前节点的 freelist，更新 freelist 为这个新创建的页。也就是说，freelist 指向最后一个可以使用的内存页，它的 next 指向上一个可用的内存页。

因此，我们可以通过遍历所有的 freelist 来获取可用内存页数，然后乘上页大小即可。添加获取内存中剩余空闲内存的函数：

uint64 free_mem(void) 
{
    struct run *r = kmem.freelist;uint64 n = 0;while (r) {
    n++;r = r->next;}return n * PGSIZE;
}

第四步，获取进程数目

所有的进程有关的操作都保存在 /kernel/proc.c 文件中，其中的 proc 数组保存了所有进程。进程有五种状态，我们只需要遍历 proc 数组，计算不为 UNUSED 状态的进程数目即可，函数为：

int n_proc(void)
{
    struct proc *p;int n = 0;for (p = proc; p < &proc[NPROC]; p++) {
    if (p->state != UNUSED)n++;}return n;
}

第五步，声明和调用

在 kernel/defs.h 中添加上面这两个函数的声明：

uint64             free_mem(void);
int             n_proc(void);

然后在 kernel/sysproc.c 中的 sys_sysinfo 函数进行调用：

uint64 sys_sysinfo(void)
{
    struct sysinfo info;uint64 addr;struct proc* p = myproc();if(argaddr(0, &addr) < 0) {
    return -1;}info.freemem = free_mem();info.nproc = n_proc();if (copyout(p->pagetable, addr, (char*)&info, sizeof(info)) < 0) {
    return -1;}return 0;
}

需要注意的是，这里使用 copyout 方法将内核空间中，相应的地址内容复制到用户空间中。这里就是将 info 的内容复制到进程的虚拟地址内，具体是哪个虚拟地址，由函数传入的参数决定（addr 读取第一个参数并转成地址的形式）。

总结

做完实验，确实对系统调用的理解更深刻了。很赞！

文章同步在知乎。

参考文献

1. MIT 6.S081 2020 Lab2 system calls讲解
2. 【MIT-6.S081-2020】Lab2 syscall
3. MIT-6.S081-2020实验（xv6-riscv64）二：syscall