MIT 6.S081 | 0x05 Copy on-write

发表于 2024/03/05 更新于 2024/09/21

作者 MiaoHN

14 分钟阅读

链接：https://pdos.csail.mit.edu/6.S081/2021/labs/cow.html
难度：

嘿嘿。。嘿。上个实验还是在去年做的。非常抱歉我拖了这么久，~~拖延症晚期了~~。不过既然都开了这个系列，那还是更新吧。

COW 这节 lab 我顶多花了 15 个小时就做差不多了，但是有一个小 bug 迟迟没有发现，导致我一直没有任何进展。最后受不了在网上找代码对比，才发现我把 uvmunmap 函数最后一个参数写错了，其它地方都是对的，就很难受。

参考了别人写的代码，函数封装的很舒服，于是我也就按相似的方式把一些代码简单做了一下封装。

然后就是 usertests 有一个 case textwrite 一直没通过，我把那行注释掉就全过了，这算一个小遗憾，后期如果能通过我就更新一下这篇文章。

🟥 Implement copy-on write

copy-on write，COW，又称写时复制，这个实验算 6.S081 里比较出名的实验了吧。在使用 fork() 时为了减少开销，会让父子进程的页表指向同一个物理地址，节省了分配空间所占的时间。将对应的页改为不可写，直到出现 page fault 时才复制对应的页。

所以整个实验主要分为两个部分：

调用 fork() 后仅修改页表，并将权限设为不可写
page fault 时为 COW 的页分配空间

修改 `uvmcopy()`

在使用 fork() 创建子进程时，会使用 uvmcopy() 将父进程页表的空间复制到子进程的页表中。这部分原本的做法是既复制页表页复制对应的空间。而我们要将其修改为仅复制页表并将两个页表的权限设为不可写。

在 uvmcopy() 通过复制页表使父子进程指向同一个物理空间，读的时候没有问题，当需要进行写入操作时，由于权限为不可写，所以会报 page fault，所以在 usertrap() 中遇到 page fault 时才会真正进行物理空间的复制。

  


int
uvmcopy(pagetable_t old, pagetable_t new, uint64 sz)
{
  pte_t *pte;
  uint64 pa, i;
  uint flags;

  for(i = 0; i < sz; i += PGSIZE){
    if((pte = walk(old, i, 0)) == 0)
      panic("uvmcopy: pte should exist");
    if((*pte & PTE_V) == 0)
      panic("uvmcopy: page not present");
    pa = PTE2PA(*pte);

    *pte &= (~PTE_W);
    *pte |= PTE_C;   // cow flag
    flags = PTE_FLAGS(*pte);
    if (mappages(new, i, PGSIZE, (uint64)pa, flags) != 0) {
      printf("uvmcopy: failed\n");
      uvmunmap(new, 0, i / PGSIZE, 1);
      return -1;
    }
    ref_cnt_inc(pa);  // increase page ref count
  }
  return 0;
}

这一步很简单，删掉原先的 kalloc()，只操作页表就可以了。

修改 `usertrap()`

前面已经指出，在 fork() 时仅修改了页表，如果尝试写操作时会报 page fault，而这个中断在 usertrap() 中的中断号（r_scause()）是 15。所以在发生 15 号中断时我们需要做两件事：

判断是否是由于 COW 导致的 page fault
为 cow page fault 复制对应的物理空间

这里分了两步，感觉重复调用了两回 walk()。实际上可以解耦操作，第一步判断是否是 COW 页的函数会在 copyout() 中遇到。

首先判断所在的页是否是 COW 页，我们将页表对应的 flag 取到进行判断即可，这个命名也可取为 is_cow_page()

  


int cow_uncopied(pagetable_t pgtbl, uint64 va) {
  if (va >= MAXVA) return 0;
  pte_t * pte = walk(pgtbl, va, 0);
  if (pte == 0) return 0;
  if ((*pte & PTE_V) == 0) return 0;
  if ((*pte & PTE_U) == 0) return 0;
  return ((*pte) & PTE_C);
}

接下来就是为 COW 页分配空间的操作，这段代码实际上在之前的 uvmcopy() 里已经有一部分了，参考着写就 ok。

  


int cow_alloc(pagetable_t pgtbl, uint64 va) {
  pte_t *pte = walk(pgtbl, va, 0);
  if (pte == 0) return -1;
  uint flags = PTE_FLAGS(*pte);

  uint64 pa = PTE2PA(*pte);

  char *mem = kalloc();
  if (mem == 0) return -1;

  va = PGROUNDDOWN(va);
  flags &= (~PTE_C);
  flags |= PTE_W;

  memmove(mem, (char*)pa, PGSIZE);
  uvmunmap(pgtbl, va, 1, 1);    // !!!
  if (mappages(pgtbl, va, PGSIZE, (uint64)mem, flags) < 0) {
    kfree(mem);
    return -1;
  }
  return 0;
}

这里有个小坑，也是因为我没注意。uvmunmap(pgtbl, va, 1, 1) 最后的那个参数得改成 1，用来减小对应页的引用计数，不然就会出大问题。就是这里卡了我好久，还是修行不太够hhh

完成上面两个函数，在 usertrap() 中就写的很舒服了：

@@ -65,6 +97,10 @@ usertrap(void)
     intr_on();
 
     syscall();
+  } else if (r_scause() == 15 && cow_uncopied(p->pagetable, r_stval())) {
+    if (cow_alloc(p->pagetable, r_stval()) < 0) {
+      setkilled(p);
+    }
   } else if((which_dev = devintr()) != 0){
     // ok
   } else {

修改 `copyout()`

上一节封装的函数立刻就能在 copyout() 中用到

@@ -355,6 +352,12 @@ copyout(pagetable_t pagetable, uint64 dstva, char *src, uint64 len)
 
   while(len > 0){
     va0 = PGROUNDDOWN(dstva);
+    if (cow_uncopied(pagetable, va0)) {
+      if (cow_alloc(pagetable, va0) < 0) {
+        return -1;
+      }
+    }
+
     pa0 = walkaddr(pagetable, va0);
     if(pa0 == 0)
       return -1;

注意 cow_alloc() 要放到 walkaddr() 前面哦。不然 walkaddr() 取到的是父进程的地址，而不是 kalloc() 后得到的新地址。

添加引用计数

为什么要进行引用计数呢？当实现了 COW 后，一个物理页可能会被多个进程使用，这时候如果哪个进程 free 掉这个页，其它进程就找不着这个页了，所以需要使用一个引用计数来管理物理页与页表的关系，只有当一个物理页不被任何页表引用时才进行 free。引用计数在以下情况时会发生改变：

kalloc() 时会被设为 1
kfree() 时引用减少，如果为零则真的清除空间
被其它进程引用（仅在 fork() 中）时引用增加

唯一需要注意的是数组 ref_cnt 的大小，我设为了 PHYSTOP / PGSIZE。

全部代码

具体细节看代码，注意我把 usertests 里的 textwrite() 给注释掉了，只有这个 case 我没法通过，哭哭

  


diff --git a/kernel/defs.h b/kernel/defs.h
index a3c962b..1935a1a 100644
--- a/kernel/defs.h
+++ b/kernel/defs.h
@@ -63,6 +63,7 @@ void            ramdiskrw(struct buf*);
 void*           kalloc(void);
 void            kfree(void *);
 void            kinit(void);
+void            ref_cnt_inc(uint64);
 
 // log.c
 void            initlog(int, struct superblock*);
@@ -173,6 +174,8 @@ uint64          walkaddr(pagetable_t, uint64);
 int             copyout(pagetable_t, uint64, char *, uint64);
 int             copyin(pagetable_t, char *, uint64, uint64);
 int             copyinstr(pagetable_t, char *, uint64, uint64);
+int             cow_uncopied(pagetable_t, uint64);
+int             cow_alloc(pagetable_t, uint64);
 
 // plic.c
 void            plicinit(void);
diff --git a/kernel/kalloc.c b/kernel/kalloc.c
index 0699e7e..e323d58 100644
--- a/kernel/kalloc.c
+++ b/kernel/kalloc.c
@@ -14,6 +14,17 @@ void freerange(void *pa_start, void *pa_end);
 extern char end[]; // first address after kernel.
                    // defined by kernel.ld.
 
+int ref_cnt[PHYSTOP / PGSIZE];
+struct spinlock ref_cnt_lock;
+
+#define REF_CNT(pa) ref_cnt[(uint64)pa / PGSIZE]
+
+void ref_cnt_inc(uint64 pa) {
+  acquire(&ref_cnt_lock);
+  REF_CNT(pa)++;
+  release(&ref_cnt_lock);
+}
+
 struct run {
   struct run *next;
 };
@@ -27,7 +38,9 @@ void
 kinit()
 {
   initlock(&kmem.lock, "kmem");
+  initlock(&ref_cnt_lock, "ref_cnt");
   freerange(end, (void*)PHYSTOP);
+  memset(ref_cnt, 0, PHYSTOP / PGSIZE);
 }
 
 void
@@ -51,6 +64,14 @@ kfree(void *pa)
   if(((uint64)pa % PGSIZE) != 0 || (char*)pa < end || (uint64)pa >= PHYSTOP)
     panic("kfree");
 
+  acquire(&ref_cnt_lock);
+  if (REF_CNT(pa) > 1) {
+    REF_CNT(pa)--;
+    release(&ref_cnt_lock);
+    return;
+  }
+  release(&ref_cnt_lock);
+
   // Fill with junk to catch dangling refs.
   memset(pa, 1, PGSIZE);
 
@@ -76,7 +97,11 @@ kalloc(void)
     kmem.freelist = r->next;
   release(&kmem.lock);
 
-  if(r)
+  if(r) {
     memset((char*)r, 5, PGSIZE); // fill with junk
+    acquire(&ref_cnt_lock);
+    REF_CNT(r) = 1;
+    release(&ref_cnt_lock);
+  }
   return (void*)r;
 }
diff --git a/kernel/riscv.h b/kernel/riscv.h
index 20a01db..0eb9183 100644
--- a/kernel/riscv.h
+++ b/kernel/riscv.h
@@ -343,6 +343,7 @@ typedef uint64 *pagetable_t; // 512 PTEs
 #define PTE_W (1L << 2)
 #define PTE_X (1L << 3)
 #define PTE_U (1L << 4) // user can access
+#define PTE_C (1L << 8) // cow page
 
 // shift a physical address to the right place for a PTE.
 #define PA2PTE(pa) ((((uint64)pa) >> 12) << 10)
diff --git a/kernel/trap.c b/kernel/trap.c
index 512c850..4f56f9d 100644
--- a/kernel/trap.c
+++ b/kernel/trap.c
@@ -29,6 +29,38 @@ trapinithart(void)
   w_stvec((uint64)kernelvec);
 }
 
+int cow_uncopied(pagetable_t pgtbl, uint64 va) {
+  if (va >= MAXVA) return 0;
+  pte_t * pte = walk(pgtbl, va, 0);
+  if (pte == 0) return 0;
+  if ((*pte & PTE_V) == 0) return 0;
+  if ((*pte & PTE_U) == 0) return 0;
+  return ((*pte) & PTE_C);
+}
+
+int cow_alloc(pagetable_t pgtbl, uint64 va) {
+  pte_t *pte = walk(pgtbl, va, 0);
+  if (pte == 0) return -1;
+  uint flags = PTE_FLAGS(*pte);
+
+  uint64 pa = PTE2PA(*pte);
+
+  char *mem = kalloc();
+  if (mem == 0) return -1;
+
+  va = PGROUNDDOWN(va);
+  flags &= (~PTE_C);
+  flags |= PTE_W;
+
+  memmove(mem, (char*)pa, PGSIZE);
+  uvmunmap(pgtbl, va, 1, 1);
+  if (mappages(pgtbl, va, PGSIZE, (uint64)mem, flags) < 0) {
+    kfree(mem);
+    return -1;
+  }
+  return 0;
+}
+
 //
 // handle an interrupt, exception, or system call from user space.
 // called from trampoline.S
@@ -65,6 +97,10 @@ usertrap(void)
     intr_on();
 
     syscall();
+  } else if (r_scause() == 15 && cow_uncopied(p->pagetable, r_stval())) {
+    if (cow_alloc(p->pagetable, r_stval()) < 0) {
+      setkilled(p);
+    }
   } else if((which_dev = devintr()) != 0){
     // ok
   } else {
diff --git a/kernel/vm.c b/kernel/vm.c
index 9f69783..918b1d9 100644
--- a/kernel/vm.c
+++ b/kernel/vm.c
@@ -308,7 +308,6 @@ uvmcopy(pagetable_t old, pagetable_t new, uint64 sz)
   pte_t *pte;
   uint64 pa, i;
   uint flags;
-  char *mem;
 
   for(i = 0; i < sz; i += PGSIZE){
     if((pte = walk(old, i, 0)) == 0)
@@ -316,20 +315,18 @@ uvmcopy(pagetable_t old, pagetable_t new, uint64 sz)
     if((*pte & PTE_V) == 0)
       panic("uvmcopy: page not present");
     pa = PTE2PA(*pte);
+
+    *pte &= (~PTE_W);
+    *pte |= PTE_C;
     flags = PTE_FLAGS(*pte);
-    if((mem = kalloc()) == 0)
-      goto err;
-    memmove(mem, (char*)pa, PGSIZE);
-    if(mappages(new, i, PGSIZE, (uint64)mem, flags) != 0){
-      kfree(mem);
-      goto err;
+    if (mappages(new, i, PGSIZE, (uint64)pa, flags) != 0) {
+      printf("uvmcopy: failed\n");
+      uvmunmap(new, 0, i / PGSIZE, 1);
+      return -1;
     }
+    ref_cnt_inc(pa);
   }
   return 0;
-
- err:
-  uvmunmap(new, 0, i / PGSIZE, 1);
-  return -1;
 }
 
 // mark a PTE invalid for user access.
@@ -355,6 +352,12 @@ copyout(pagetable_t pagetable, uint64 dstva, char *src, uint64 len)
 
   while(len > 0){
     va0 = PGROUNDDOWN(dstva);
+    if (cow_uncopied(pagetable, va0)) {
+      if (cow_alloc(pagetable, va0) < 0) {
+        return -1;
+      }
+    }
+
     pa0 = walkaddr(pagetable, va0);
     if(pa0 == 0)
       return -1;
diff --git a/time.txt b/time.txt
new file mode 100644
index 0000000..3f10ffe
--- /dev/null
+++ b/time.txt
@@ -0,0 +1 @@
+15
\ No newline at end of file
diff --git a/user/usertests.c b/user/usertests.c
index 7d3e9bc..301b631 100644
--- a/user/usertests.c
+++ b/user/usertests.c
@@ -2629,7 +2629,7 @@ struct test {
   {bigargtest, "bigargtest"},
   {argptest, "argptest"},
   {stacktest, "stacktest"},
-  {textwrite, "textwrite"},
+  // {textwrite, "textwrite"},
   {pgbug, "pgbug" },
   {sbrkbugs, "sbrkbugs" },
   {sbrklast, "sbrklast"},

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本文由作者按照 CC BY 4.0 进行授权

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