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chapter6练习
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- 本节难度： **大魔王！！**
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本章任务
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- ``ch6b_usertest`` ``ch6_mergetest``
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- 结合代码、指导书已经课堂所学，理解文件系统的几个概念：全局文件表 / 进程文件描述符等
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- 完成本章编程作业。
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- 最终，完成实验报告并 push 你的 ch6 分支到远程仓库。
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编程作业
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进程通信：邮箱
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这一章我们实现了基于 pipe 的进程间通信，但是看测例就知道了，管道不太自由，我们来实现一套乍一看更靠谱的通信 syscall吧！本节要求实现邮箱机制，以及对应的 syscall。
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- 邮箱说明：每个进程拥有唯一一个邮箱，基于“数据报”收发字节信息，利用环形buffer存储，读写顺序为 FIFO，不记录来源进程。每次读写单位必须为一个报文，如果用于接收的缓冲区长度不够，舍弃超出的部分（截断报文）。为了简单，邮箱中最多拥有16条报文，每条报文最大长度256字节。当邮箱满时，发送邮件（也就是写邮箱会失败）。不考虑读写邮箱的权限，也就是所有进程都能够随意给其他进程的邮箱发报。
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**mailread**:
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* syscall ID：401
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* C接口： ``int mailread(void* buf, int len)``
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* 功能：读取一个报文，如果成功返回报文长度.
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* 参数：
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* buf: 缓冲区头。
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* len：缓冲区长度。
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* 说明：
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* len > 256 按 256 处理，len < 队首报文长度且不为0，则截断报文。
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* len = 0，则不进行读取，如果没有报文读取，返回-1，否则返回0，这是用来测试是否有报文可读。
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* 可能的错误：
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* 邮箱空。
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* buf 无效。
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**mailwrite**:
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* syscall ID：402
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* C接口： ``int mailwrite(int pid, void* buf, int len)``
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* 功能：向对应进程邮箱插入一条报文.
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* 参数：
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* pid: 目标进程id。
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* buf: 缓冲区头。
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* len：缓冲区长度。
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* 说明：
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* len > 256 按 256 处理，
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* len = 0，则不进行写入，如果邮箱满，返回-1，否则返回0，这是用来测试是否可以发报。
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* 可以向自己的邮箱写入报文。
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* 可能的错误：
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* 邮箱满。
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* buf 无效。
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实现完成之后，你应该能通过 ch6_mail* 对应的所有测例，在 shell 中执行 ch6_usertest 来执行所有测试。
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tips:
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- 给每个进程默认分配一个邮箱即可。
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- 邮箱的具体实现就是一个 ring buffer。
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[挑战，不占分]进程通信：共享内存
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如果你认为邮箱不够炫酷，可以试试这个。挑战内容，不占分，但你还是必须先实现 mail。
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进程间通信(IPC)对于某些系统和应用其实十分重要，它被称为微内核的 Achilles tendon，同时在 android 应用中也十分常见，为此 android 系统专门设计了一套 binder 机制来加速 IPC 的效率。
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最基础的 IPC 方式大致分两类：
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- 内核拷贝：指通过内核完成数据的拷贝，比如 pipe，邮箱。
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- 共享内存：直接将同一段物理内存映射到不同进程的虚存空间。
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其中内核拷贝的方式一般效率较低，但安全可靠，容易同步。而共享内存的方式不需要内核参与，速度较快，但需要用户态自己想办法同步，同时可能会导致某些攻击，感兴趣的同学可以参考 `TOCTTOU <https://en.wikipedia.org/wiki/TOCTTOU>`_ 。
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框架实现的 pipe 属于第一类，那么现在我们来实现第二类。实现 share memory 的方法不止一种，这里我们拓展 ch4 实现的 mmap 的功能，利用 mmap 来实现共享内存。
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mmap 系统调用新定义：
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- syscall ID: 222
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- 接口：``int mmap(void* start, unsigned long long len, int port, int flag, int shmem_id)``
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- 功能：当 flag 等于 0 时，功能与 ch4 时一致；当 flag = 1 时，视为申请共享内存（可类比 posix 接口的 MAP_SHARED 标志），这时需要根据 shmem_id 将对应的物理内存映射到 start 开始的虚存，内存页的属性为 prot。若此时 shmem_id 为 -1 时，视为需要申请一段新的物理内存作为共享内存使用; 若 shmem_id != -1，视作申请对应 id 的共享内存。
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- 参数：
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- start：需要映射的虚存起始地址。
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- len：映射字节长度，可以为 0 （如果是则直接返回），不可过大 (上限 1GiB )。
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- port：第 0 位表示是否可读，第 1 位表示是否可写，第 2 位表示是否可执行。其他位无效（必须为 0 ）。
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- flag：申请内存的模式，为 0 时为申请物理内存，为 1 时为申请共享内存，其他值视作错误。
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- shmem_id：申请共享内存时使用，表示内核记录的一段共享内存的 id，该 id 全内核唯一（注意和 fd 的区别，fd 是 process 的属性, shmem_id 是全内核的属性）。
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- 返回值:
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- 若发生错误，返回 -1。
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- 若 flag == 0，返回值同 ch4。
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- 若 flag == 1，总返回映射的 shmem_id。
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- 说明：
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- 我们尚未有完整文件系统，所以这只是一个看上去像 posix 的 mmap 但实际不是的系统调用。
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- 我们不定义共享内存与 fork 的相互作用，不会加以测试，任何实现都可以。
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- 允许同一个进程将同一块共享内存映射到自己的不同虚存。
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- 为了简单，addr 要求按页对齐(否则报错)，len 可直接按页上取整。
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- 为了简单，不考虑发生错误时的页回收（也就是内存泄漏）。
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- 错误：
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- [addr, addr + len) 存在已经被映射的页。
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- 物理内存不足。
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- port & !0x7 != 0 (port 其余位必须为0)。
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- port & 0x7 = 0 (这样的内存无意义)。
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- flag & ~0x1 != 0 (flag 应为 0 或 1)
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- shmem_id 无效。
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munmap 系统调用定义：
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- syscall ID：215
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- C接口： ``int munmap(void* start, unsigned long long len)``
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- Rust接口： ``fn munmap(start: usize, len: usize) -> i32``
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- 功能：取消一块虚存的映射。
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- 参数：同 mmap
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- 说明：
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- 为了简单，参数错误时不考虑内存的恢复和回收。
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- 错误：
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- [start, start + len) 中存在未被映射的虚存。
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正确实现后，你的 os 应该能够正确运行 ch6_shmem* 对应的一些测试用例，在 shell 中执行 ch6_usertest1 来执行测试。
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tips:
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- QAQ，shmem 的企划被老师以太难为由毙掉了，所以就成了 challange...
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- 难受啊，这个唯一一个测例和参考实现都写好了的 challange ...
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问答作业
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1. 举出使用 pipe 的一个实际应用的例子。
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tips:
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- 想想你平时咋使用 linux terminal 的？
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- 如何使用 cat 和 wc 完成一个文件的行数统计？
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2. 共享内存的测例中有如下C语言片段(伪代码)：
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.. code-block:: c
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int main()
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{
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uint64 *A = (void *)0x10000000;
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uint64 *B = (void *)(0x10000000 + 0x1000);
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uint64 len = 0x1000;
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make_shmem(A, B, len); // 会将 [A, A + len) [B, B + len) 这两段虚存映射到同一段物理内存
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*A = 0xabab;
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__sync_synchronize(); // zssm？
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if(*B != 0xabab) {
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return ERROR;
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}
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printf("OK!");
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return 0;
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}
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请自己查阅注释 ``zssm?`` 对应的这一行代码有什么作用？如果去掉有可能会导致什么错误？为什么？
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报告要求
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注意目录要求，报告命名 ``lab4.pdf``，位于 ``reports`` 目录下。 后续实验同理。
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报告内容：
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- 注明姓名学号。
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- 简单总结本次实验你新添加的代码。
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- 完成 ch6 问答作业。
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- [可选，不占分]你对本次实验设计及难度的看法。 |