Lab 2: System Calls

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Lab 2: System Calls

在上一个实验中，你使用系统调用编写了一些实用程序。在这个实验中，你将向 xv6 添加一些新的系统调用，这将帮助你理解它们的工作原理，并让你接触到 xv6 内核的一些内部机制。在后续的实验中，你将添加更多的系统调用。

注意

开始编码之前，请阅读 xv6 书籍的第 2 章，以及第 4 章的第 4.3 节和第 4.4 节，并阅读相关的源文件：

用户空间的系统调用代码在 user/user.h 和 user/usys.pl 中。
内核空间的系统调用代码在 kernel/syscall.h 和 kernel/syscall.c 中。
与进程相关的代码在 kernel/proc.h 和 kernel/proc.c 中。

开始实验，切换到 syscall 分支：

$ git fetch
$ git checkout syscall
$ make clean

如果你运行 make grade，你会看到评分脚本无法执行 trace 和 sysinfotest。你的任务是添加必要的系统调用和存根，使它们能够正常工作

System call tracing (moderateopen in new window)

重要

在这个任务中，你将添加一个系统调用跟踪功能，这可能会在你调试后续实验时有所帮助。你将创建一个新的 trace 系统调用，用于控制跟踪。它应该接受一个参数，一个整数“掩码”，其位指定要跟踪哪些系统调用。例如，要跟踪 fork 系统调用，程序调用 trace(1 << SYS_fork)，其中 SYS_fork 是 kernel/syscall.h 中的系统调用号。你需要修改 xv6 内核，以便在每个系统调用即将返回时，如果系统调用号在掩码中设置，则打印一行。该行应包含进程 ID、系统调用的名称和返回值；你不需要打印系统调用参数。trace 系统调用应为调用它的进程及其随后派生的任何子进程启用跟踪，但不应影响其他进程。

我们提供了一个用户级程序 trace，它可以在启用跟踪的情况下运行另一个程序（参见 user/trace.c）。当你完成后，你应该看到类似以下的输出：

$ trace 32 grep hello README
3: syscall read -> 1023
3: syscall read -> 966
3: syscall read -> 70
3: syscall read -> 0
$
$ trace 2147483647 grep hello README
4: syscall trace -> 0
4: syscall exec -> 3
4: syscall open -> 3
4: syscall read -> 1023
4: syscall read -> 966
4: syscall read -> 70
4: syscall read -> 0
4: syscall close -> 0
$
$ grep hello README
$
$ trace 2 usertests forkforkfork
usertests starting
test forkforkfork: 407: syscall fork -> 408
408: syscall fork -> 409
409: syscall fork -> 410
410: syscall fork -> 411
409: syscall fork -> 412
410: syscall fork -> 413
409: syscall fork -> 414
411: syscall fork -> 415
...
$

在第一个示例中，trace 调用 grep 仅跟踪 read 系统调用。32 是 1 << SYS_read。在第二个示例中，trace 运行 grep 时跟踪所有系统调用；2147483647 设置了所有 31 个低位。在第三个示例中，程序未被跟踪，因此没有打印跟踪输出。在第四个示例中，usertests 中 forkforkfork 测试的所有后代进程的 fork 系统调用正在被跟踪。如果你的程序的行为如上所示（尽管进程 ID 可能不同），则你的解决方案是正确的。

一些提示：

将 $U/_trace 添加到 Makefile 中的 UPROGS。
运行 make qemu，你会看到编译器无法编译 user/trace.c，因为用户空间的系统调用存根还不存在：向 user/user.h 添加系统调用的原型，向 user/usys.pl 添加存根，并向 kernel/syscall.h 添加系统调用号。Makefile 调用 user/usys.pl 脚本，该脚本生成 user/usys.S，即实际的系统调用存根，它们使用 RISC-V 的 ecall 指令过渡到内核。一旦你修复了编译问题，运行 trace 32 grep hello README；它将失败，因为你还没有在内核中实现系统调用。
在 kernel/sysproc.c 中添加一个 sys_trace() 函数，通过在 proc 结构（参见 kernel/proc.h）中记住其参数来实现新的系统调用。用于从用户空间检索系统调用参数的函数在 kernel/syscall.c 中，你可以在 kernel/sysproc.c 中看到它们的使用示例。
修改 fork()（参见 kernel/proc.c）以将跟踪掩码从父进程复制到子进程。
修改 kernel/syscall.c 中的 syscall() 函数以打印跟踪输出。你需要添加一个系统调用名称数组来进行索引。

实验代码

usys.pl/user

entry("uptime");
// ======add code begin========
entry("trace");
//===========end===============

user.h/user

int sleep(int);
int uptime(void);
// ======add code begin========
int trace(int);
//===========end===============

syscall.h/kernel

#define SYS_mkdir  20
#define SYS_close  21
// ======add code begin========
#define SYS_trace  22
//===========end===============

proc.h/kernel

int xstate;                  // Exit status to be returned to parent's wait
  int pid;                     // Process ID
  // ======add code begin========
  int trace_code;              // The Trace System Call Number
  //===========end===============
  // wait_lock must be held when using this:
  struct proc *parent;         // Parent process

sysproc.c/kernel

uint64
sys_trace(void)

{
  int trace_code;
  argint(0, &trace_code);
  struct proc *p = myproc();
  p->trace_code = trace_code;
  return 0;
}

proc.c/kernel

int
fork(void)
{
  int i, pid;
  struct proc *np;
  struct proc *p = myproc();
  // Allocate process.
  if((np = allocproc()) == 0){
    return -1;
  }
  // Copy user memory from parent to child.
  if(uvmcopy(p->pagetable, np->pagetable, p->sz) < 0){
    freeproc(np);
    release(&np->lock);
    return -1;
  }
  np->sz = p->sz;
  // copy saved user registers.
  *(np->trapframe) = *(p->trapframe);
  // ======add code begin========
  // copy trace code
  np->trace_code = p->trace_code;
  //===========end===============
  // Cause fork to return 0 in the child.
  np->trapframe->a0 = 0;
  ......

syscall.c/kernel


#include "syscall.h"
#include "defs.h"
// ======add code begin========
const char* syscall_names[] = {"fork","exit","wait","pipe","read","kill","exec","fstat","chdir","dup","getpid","sbrk","sleep","uptime","open","write","mknod","unlink","link","mkdir","close","trace"
};
//===========end===============

....

extern uint64 sys_link(void);
extern uint64 sys_mkdir(void);
extern uint64 sys_close(void);
// ======add code begin========
extern uint64 sys_trace(void);
//===========end===============

....

[SYS_link]    sys_link,
[SYS_mkdir]   sys_mkdir,
[SYS_close]   sys_close,
// ======add code begin========
[SYS_trace]   sys_trace,
//===========end===============
};

void
syscall(void)
{
  int num;
  struct proc *p = myproc();
  num = p->trapframe->a7;
  if(num > 0 && num < NELEM(syscalls) && syscalls[num]) {
    // Use num to lookup the system call function for num, call it,
    // and store its return value in p->trapframe->a0
    p->trapframe->a0 = syscalls[num]();
    // ======add code begin========
    if((p->trace_code & (1 << num)) != 0){
      printf("%d: syscall %s -> %d\n",
            p->pid, syscall_names[num-1], p->trapframe->a0);
    }
    //===========end===============
  } else {
    printf("%d %s: unknown sys call %d\n",
            p->pid, p->name, num);
    p->trapframe->a0 = -1;
  }
}

Sysinfo (moderateopen in new window)

重要

在这个任务中，你将添加一个系统调用 sysinfo，用于收集有关运行系统的信息。该系统调用接受一个参数：指向 struct sysinfo 的指针（参见 kernel/sysinfo.h）。内核应填充该结构的字段：freemem 字段应设置为可用内存的字节数，nproc 字段应设置为状态不是 UNUSED 的进程数。我们提供了一个测试程序 sysinfotest；如果你通过了这个任务，它将打印 "sysinfotest: OK"。