Lab System calls

物理資源抽象設計（檔案系統管理，記憶體使用，CPU切換，管道互動）；指令執行的三種狀態（M,S,U），系統呼叫；巨集核心和微核心；程序機制（S/U mode，地址空間，時間片），程序目的（增強隔離性），程序的地址空間和狀態項，程序的設計思想；xv6的啟動概述；安全相關。
學習系統呼叫的原理和實現。

Lab準備

calling convention

RISC-V的calling約定一般是在暫存器間傳參，最多有8個整數暫存器（a0-a7）和8個浮點暫存器(fa0-fa7)。

當在整數暫存器中傳參時，引數儲存在對齊的even-odd暫存器對中，even暫存器儲存最低有效位。RV32中，如函式void foo(int, long long)

struct中沒有通過引數暫存器傳遞的部分在棧上傳遞，棧指標sp指向第一個沒有在引數暫存器中傳遞的引數。

返回值儲存在暫存器a0和a1中或者暫存器fa0和fa1中。只有當浮點值是單獨的浮點值或者只有一兩個浮點陣列成的struct結構才可以通過浮點暫存器返回。其他兩個指標字大小的返回值用a0和a1返回。

更大的返回值在記憶體中傳遞，由呼叫者分配記憶體空間，將第一個引數的指標傳給被呼叫者。

系統呼叫的過程

initcode.S將exec的引數放在暫存器a0,a1中，將系統呼叫號放在暫存器a7中，系統呼叫號可以索引syscalls

syscall（kernel/syscall.c:133）從trapframe->a7取出系統呼叫號，索引syscalls。呼叫系統呼叫實現sys_exec，將返回值存在trapframe->a0，這也是使用者空間呼叫的exec()

系統呼叫的引數

核心中的系統呼叫實現需要找到使用者程式碼傳遞的引數。因為使用者程式碼呼叫的是封裝好的函式，RISC-V calling convention約定將引數放在暫存器中。核心的trap程式碼將使用者暫存器的內容存在程序的trap frame中，供核心使用。核心函式argint，argaddr，argfd取出放在trap frame中的指定系統呼叫的引數，它們都是呼叫argraw（kernel/syscall.c）。

一些系統呼叫使用指標作為傳參，核心必須使用這些指標讀寫使用者記憶體。例如，exec系統呼叫傳給核心指向儲存在使用者空間的引數陣列的指標陣列。這些指標帶來兩個挑戰：

• 使用者程式碼可能有bugs或是惡意程式碼，或者傳給核心非法的指標，或者指標有意指向核心空間而非使用者空間。
• xv6核心頁表對映和使用者頁表對映不同，所以核心不能使用普通的指令從使用者提供的地址存取資料。

核心實現了對使用者提供的地址進行安全資料傳輸的函式。這裡下章具體學習，本章學會使用copyout即可完成實驗。

System call tracing

實現一個系統呼叫，能列印指定的系統呼叫的資訊。
通過接收引數mask，確定指定的系統呼叫，在系統呼叫將返回時，打印出它的資訊（程序id，系統呼叫名稱，返回值）。子程序繼承這個mask，不影響其他程序。

在struct proc中加入int tracemask，用於確定需要trace哪些系統呼叫。這個屬性不需要加鎖。在allocproc和freeproc中對這個屬性進行初始化和清除。

在syscall（kernel/syscall.c）中加入實現

if ((p->tracemask & (1 << num)) != 0) {
    printf("%d: syscall %s -> %d\n", p->pid, syscallnames[num-1], p->trapframe->a0);
}

在（kernel/sysproc.c）中實現sys_trace。

// Set mask that specify which system calls to trace.
uint64
sys_trace(void)
{
    int tracemask;

    if(argint(0, &tracemask) < 0)
      return -1;

    myproc()->tracemask = tracemask;

    return 0;
}

其餘配置參照hints修改。

Sysinfo

實現一個系統呼叫：收集xv6的空閒記憶體大小和程序數量，並將值返回給使用者空間。

在（kernel/sysproc.c）中完成sysinfo系統呼叫的核心實現sys_sysinfo。

// Get the number of bytes of free memory,
// and the number of processes whose state is not UNUSED.
uint64
sys_sysinfo(void)
{
    uint64 uinfop; // user pointer to struct sysinfo

    if(argaddr(0, &uinfop) < 0)
        return -1;

    return setsysinfo(uinfop);
}

在（kernel/proc.c）完成setsysinfo和procnum。分別實現將sysinfo資訊傳給使用者空間和統計程序數量。

// collect the nunmber of processes.
// Return the number of processes whose state is not UNUSED.
uint64
procnum(void)
{
    struct proc *p;
    uint64 nproc = 0;

    for (p = proc; p < &proc[NPROC]; p++) {
        acquire(&p->lock);
        if (p->state != UNUSED) {
            nproc++;
        }
        release(&p->lock);
    }

    return nproc;
}

// Set struct sysinfo and copy back to user space.
int
setsysinfo(uint64 addr)
{
    struct proc *p = myproc();
    struct sysinfo info;

    info.freemem = kremainsize();
    info.nproc = procnum();

    if(copyout(p->pagetable, addr, (char *)&info, sizeof(info)) < 0)
      return -1;
    return 0;
}

在（kernel/kalloc.c）完成kremainsize，實現空閒空閒記憶體的統計。

// collect the amount of free memory.
// Returns the number of bytes of free memory.
uint64
kremainsize(void)
{
    struct run *r;
    uint64 freepg = 0;

    acquire(&kmem.lock);
    r = kmem.freelist;
    while (r) {
        freepg++;
        r = r->next;
    }
    release(&kmem.lock);

    return freepg << 12;
}