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chapter5练习
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- 本节难度： **看似唬人，其实就那样**
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本章任务
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- ``make test BASE=1`` 执行 usershell，然后运行 ``ch5b_usertest``。
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- merge ch4 的修改，运行 ``ch5_mergetest`` 检查 merge 是否正确。
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- 结合文档和代码理解 fork, exec, wait 的逻辑。结合课堂内容回答本章问答问题（注意第二问为选做）。
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- 理解框架的调度机制，尤其要搞明白时钟中断的处理机制以及 yield 之后下一个进程的选择。在次基础上，完成本节的编程作业(2)stride 调度算法。
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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 ch5 分支到远程仓库。
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编程作业
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进程创建
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大家一定好奇过为啥进程创建要用 fork + execve 这么一个奇怪的系统调用，就不能直接搞一个新进程吗？思而不学则殆，我们就来试一试！这章的编程练习请大家实现一个完全 DIY 的系统调用 spawn，用以创建一个新进程。
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spawn 系统调用定义( `标准spawn看这里 <https://man7.org/linux/man-pages/man3/posix_spawn.3.html>`_ )：
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- syscall ID: 400
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- C 接口： ``int spawn(char *filename)``
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- 功能：相当于 fork + exec，新建子进程并执行目标程序。
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- 说明：成功返回子进程id，否则返回 -1。
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- 可能的错误：
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- 无效的文件名。
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- 进程池满/内存不足等资源错误。
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实现完成之后，你应该能通过 ch5_spawn* 对应的所有测例，在 shell 中执行 ch5_usertest 来执行所有测试，应当发现除了setprio相关的测例均正确。
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tips:
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- 注意 fork 的执行流，新进程 context 的 ra 和 sp 与父进程不同。所以你不能在内核中通过 fork 和 exec 的简单组合实现 spawn。
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- 在 spawn 中不应该有任何形式的内存拷贝。
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stride 调度算法
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lab3中我们引入了任务调度的概念，可以在不同任务之间切换，目前我们实现的调度算法十分简单，存在一些问题且不存在优先级。现在我们要为我们的 os 实现一种带优先级的调度算法：stide 调度算法。
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算法描述如下:
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(1) 为每个进程设置一个当前 stride，表示该进程当前已经运行的“长度”。另外设置其对应的 pass 值（只与进程的优先权有关系），表示对应进程在调度后，stride 需要进行的累加值。
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(2) 每次需要调度时，从当前 runnable 态的进程中选择 stride 最小的进程调度。对于获得调度的进程 P，将对应的 stride 加上其对应的步长 pass。
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(3) 一个时间片后，回到上一步骤，重新调度当前 stride 最小的进程。
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可以证明，如果令 P.pass = BigStride / P.priority 其中 P.pass 为进程的 pass 值，P.priority 表示进程的优先权（大于 1），而 BigStride 表示一个预先定义的大常数，则该调度方案为每个进程分配的时间将与其优先级成正比。证明过程我们在这里略去，有兴趣的同学可以在网上查找相关资料。
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其他实验细节：
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- stride 调度要求进程优先级 :math:`\geq 2`，所以设定进程优先级 :math:`\leq 1` 会导致错误。
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- 进程初始 stride 设置为 0 即可。
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- 进程初始优先级设置为 16。
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实验首先要求新增 syscall ``sys_set_priority``:
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* 功能描述：设定进程优先级
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* syscall ID: 140
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* 功能：设定进程优先级。
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* C 接口：`int setpriority(long long prio);`
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* 说明：设定自身进程优先级，只要 prio 在 [2, isize_max] 就成功，返回 prio，否则返回 -1。
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* 针对测例
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* `ch5_setprio`
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实现 sys_set_priority 之后，你可以通过 ``make test CHAPTER=5`` 来进行测试。
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完成之后你需要调整框架的代码调度机制，是的可以设置不同进程优先级之后可以按照 stride 算法进行调度。实现正确后，代码应该能够通过用户测例 ch3t_stride*。使用 ``make test CHAPTER=5t`` 来测试测试你的实现是否正确，如果正确,ch3t_stride[x] 最终输出的 priority 和 exitcode 应该大致成正比，由于我们的时间片比较粗糙，qemu 的模拟也不是十分准确，我们最终的 CI 测试会允许最大 30% 的误差。
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实现 tips:
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- 你应该给 proc 结构体加入新的字段来支持优先级。
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- 我们的测例运行时间不很长，不要求处理 stride 的溢出（详见问答作业，当然处理了更好）。
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- 为了减少整数除的误差，BIG_STRIDE 一般需要很大，但测例中的优先级都是 2 的整数次幂，结合第二点，BIG_STRIDE不需要太大，65536 是一个不错的数字。
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- 用户态的 printf 支持了行缓冲，所以如果你想要增加用户程序的输出，记得换行。
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- stride 算法要找到 stride 最小的进程，使用优先级队列是效率不错的办法，但是我们的实验测例很简单，所以效率完全不是问题。事实上，我很推荐使用暴力扫一遍的办法找最小值。
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- 注意设置进程的初始优先级。
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实验结果
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本实验采用了github classroom的自动评分功能，完成实验提交（git push）后会触发自动测试，实验测试结果可以在在线统计<https://ucore-rv-64.github.io/classroom-grading/>中查看。
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问答作业
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stride 算法深入
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stride 算法原理非常简单，但是有一个比较大的问题。例如两个 pass = 10 的进程，使用 8bit 无符号整形储存 stride， p1.stride = 255, p2.stride = 250，在 p2 执行一个时间片后，理论上下一次应该 p1 执行。
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- 实际情况是轮到 p1 执行吗？为什么？
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我们之前要求进程优先级 >= 2 其实就是为了解决这个问题。可以证明，**在不考虑溢出的情况下**, 在进程优先级全部 >= 2 的情况下，如果严格按照算法执行，那么 STRIDE_MAX – STRIDE_MIN <= BigStride / 2。
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- 为什么？尝试简单说明（传达思想即可，不要求严格证明）。
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已知以上结论，**在考虑溢出的情况下**，假设我们通过逐个比较得到 Stride 最小的进程，请设计一个合适的比较函数，用来正确比较两个 Stride 的真正大小：
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.. code-block:: c
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typedef unsigned long long Stride_t;
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const Stride_t BIG_STRIDE = 0xffffffffffffffffULL;
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int cmp(Stride_t a, Stride_t b) {
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// YOUR CODE HERE
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// return 1 if a > b
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// return -1 if a < b
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// return 0 if a == b
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}
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例子：假设使用 8 bits 储存 stride, BigStride = 255。那么：
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* `cmp(125, 255) == 1`
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* `cmp(129, 255) == -1`
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报告要求
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注意目录要求，报告命名 ``lab3.md``，位于 ``reports`` 目录下。 后续实验同理。
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- 注明姓名学号。
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- 完成 ch5 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。
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