hw4 lazy page allocation

目标

OS可以使用页表硬件的技巧之一是 堆内存的懒惰分配.当进程需要更多的内存的时候,调用malloc()函数申请更多的堆内存,底层系统调用sbrk实际完成这个工作.sbrk系统调用分配物理内存,并映射到进程的虚拟地址.但是有的进程会一次申请大量的内存,但是又可能根本用不到,比如稀疏数组(sparse array).所以说复杂的内核涉及会将实际的allocation的工作推迟到应用程序尝试使用该页面的时候,即发生了page fault,然后再进行实际的分配. -

Part1 删除’sbrk’的内存分配

任务

从sbrk(n)系统调用实现中删除页分配,实现为sysproc.c中的sys_sbrk()函数.sbrk(n)系统调用将进程的内存大小增加n个字节,然后返回新分配区域的开始地址.

实现

对系统调用sbrk的实际实现sys_sbrk()进行修改,删除对growproc()的调用只将进程的内存空间大小增加n,而不进行实际的分配.修改代码如下

//sysproc.c
int
sys_sbrk(void)
{
  int addr, newsz;
  int n;

  if(argint(0, &n) < 0)
    return -1;
  addr = proc->sz;
  newsz = addr + n;
  if (newsz >= KERNBASE)
      return -1;
  proc->sz = newsz;
  return addr;
}

再次启动xv6,运行echo hi,得到如下错误提示：

pid 3 sh: trap 14 err 6 on cpu 0 eip 0x12f1 addr 0x4004--kill proc

因为在shell中运行echo时,需要调用malloc函数.运行malloc的时候,虽然返回值是显示内存分配成功,但是当程序实际试图操作cmd指向的内存区域的时候,发现该内存区域不是当前进程所有的,因为在sys_sbrk中实际没有调用growproc()进行分配.

Part2 懒惰分配

任务

通过在故障地址映射新分配的物理内存页面,然后返回到用户空间让程序继续执行,修改trap.c中的代码以响应用户空间的页面错误.代码不需要完美到照顾到每个细节,当前我们只需要能够执行echo等简单代码即可.　　

实现

在trap.c中,当发现是page fault错误的时候,可以按照当前进程的proc->sz来实际的分配内存.所以首先应该获取发生page fault时刻的虚地址,该虚地址之后的部分就应该是本来应该分配但是实际没有分配的(lazy allocation),而实际需要分配多少,应该根据proc->sz的大小来定.
因为在发生page fault的地址为在malloc之后返回给进程的地址,而这个地址正是proc->sz,所以该虚地址的大小为实际的内存的大小.

if (tf->trapno == T_PGFLT) {
      char* mem;
      uint a;

      a = PGROUNDDOWN(rcr2()); //rcr2()返回页错误时的地址
      mem = kalloc();
      if (mem == 0) {
          cprintf("run out of memory!\n");
          proc->killed = 1;
          break;
      }
      memset(mem, 0, PGSIZE);
      mappages(proc->pgdir, (char*)a, PGSIZE, v2p(mem), PTE_W|PTE_U);
      break;
}