MIT 6.828 - 6. Lab 06: User-level Threads and Alarm

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实验总结

  1. 本次实验用时约 20 个小时。
  2. 收获是对 context switch 的理解更深入了，了解了进程调度的一种良好设计（即用协程分割控制流，使代码更简洁）。

遇到的困难包括：

  1. 没有交叉的 gdb，调试困难。
  2. 懒

实验结束后的全部代码在：https://github.com/monkey2000/xv6-riscv/tree/syscall/

测试结果： 

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answers-syscall.txt: OK 
uthread: 
$ make qemu-gdb
OK (2.3s) 
running alarmtest: 
$ make qemu-gdb
(3.7s) 
  alarmtest: test0: OK 
  alarmtest: test1: OK 
usertests: 
$ make qemu-gdb
OK (91.4s) 
time: OK 
Score: 100/100

0. 实验准备

实验指导链接

上来直接：

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$ cd xv6-riscv-fall19
$ git checkout syscall

1. Warmup: RISC-V assembly

这块要回答几个问题，打开 user/call.c 和 user/call.asm ，有如下代码片段：

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int g(int x) {
  return x+3;
}

int f(int x) {
  return g(x);
}

void main(void) {
  printf("%d %d\n", f(8)+1, 13);
  exit(0);
}
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000000000000001c <main>:

void main(void) {
  1c:	1141                	addi	sp,sp,-16
  1e:	e406                	sd	ra,8(sp)
  20:	e022                	sd	s0,0(sp)
  22:	0800                	addi	s0,sp,16
  printf("%d %d\n", f(8)+1, 13);
  24:	4635                	li	a2,13                              ; printf("%d %d\n", f(8)+1, 13);
  26:	45b1                	li	a1,12
  28:	00000517          	auipc	a0,0x0
  2c:	75050513          	addi	a0,a0,1872 # 778 <malloc+0xea>
  30:	00000097          	auipc	ra,0x0
  34:	5a0080e7          	jalr	1440(ra) # 5d0 <printf>
  exit(0);
  38:	4501                	li	a0,0
  3a:	00000097          	auipc	ra,0x0
  3e:	1fe080e7          	jalr	510(ra) # 238 <exit>


... lines omitted

00000000000005d0 <printf>:

void
printf(const char *fmt, ...)
{

....

下面来回答问题：

  1. Which registers contain arguments to functions? For example, which register holds 13 in main's call to printf?
    • 根据 riscv user-level isa （在 doc/riscv-calling.pdf） ， a0-a7 和 fa0-fa7 共计 16 个寄存器会用于传递参数
    • 具体而言，根据以上代码，可以得知 a2 寄存器用于存传给 printf 的参数 13
  2. Where is the function call to f from main? Where is the call to g? (Hint: the compiler may inline functions.)
    • 注意括号里的话。根据笔算我们知道 f(8)+1 = 12，又发现 main 中并为调用 f 函数，说明 f 在编译期被直接优化成一个常量 12 塞到 a1 寄存器里了。
  3. At what address is the function printf located?
    • 观察 main 函数，在调用时使用了代码 auipc ra,0x0 和 jalr 1440(ra)，前者取当前指令的 pc 加上 0x0 存入 ra，后者跳转到 ra + 1440。计算知 0x0000000000000030 + 1440 = 0x00000000000005d0。经验证是 printf 的入口地址。
  4. What value is in the register ra just after the jalr to printf in main?
    • 此题需要看 rv spec 。jalr 指令完成后，ra 寄存器会存储返回点位置（也即 pc + 4 ）

2. Uthread: switching between threads

这题并不难，我给想复杂了。

首先我们把 Hint 里面的问题解决：thread_switch needs to save/restore only the callee-save registers. Why? 这个是因为协程切换的过程本质是一个函数调用，因此 caller-save registers 是被调用者（如 thread_a() ）保存好的。

然后我们研究以下代码该怎么写（抄）：

  1. 首先打开 kernel/swtch.S ，查阅 riscv calling convention ，验证这段代码可以完成寄存器的切换。注意 ra 表示返回地址，sp 表示当前栈顶。直接复制到 user/uthread_switch.S 即可。
  2. 接着在 kernel/proc.h 中，找到上述代码配套的 context 结构体声明，复制到 user/uthread.c 中。
  3. 修改几行代码。当发生协程切换时调用 uthread_switch(old_ctx, new_ctx)，完成寄存器状态的切换；当新建协程时，将 ra 设为协程入口点地址，sp 设为 thread.stack 的最高地址（栈底）。

第三部相对有思维量的代码如下，可以证明是正确的： 

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t->ctx.ra = (uint64) func;
t->ctx.sp = (uint64) (&t->stack) + STACK_SIZE;

3. Alarm

这块是以 alarm 为例实现一个 signal 系统，即 signal 触发的时候调用进程注册的 signal handler，运行结束后返回原来进程的位置，恢复状态。

首先，按照实验指导，添加 sigalarm 和 sigreturn 两个系统调用：

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// kernel/signal.c
// Only for lab 06: syscall
// sys_sigalarm() and sys_sigreturn() are implemented here
//

#include "types.h"
#include "riscv.h"
#include "defs.h"
#include "param.h"
#include "spinlock.h"
#include "proc.h"
#include "signal.h"

uint64 sys_sigalarm(void) {
    struct proc *p = myproc();
    int interval; uint64 handler_addr;
    if(argint(0, &interval) < 0 || argaddr(1, &handler_addr) < 0)
        return -1;
    
    p->alarm_interval = interval;
    p->alarm_handler = handler_addr;
    p->alarm_last_tick = ticks;

    return 0;
}

uint64 sys_sigreturn(void) {
    struct proc *p = myproc();
    p->alarm_state = 0;
    memmove(p->tf, &p->alarm_tf, sizeof(struct trapframe));
    return 0;
}

这里我给 proc 结构体新增了一些字段，来存储 alarm 相关的信息： 

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// Per-process state
struct proc {
//... omitted
  int alarm_interval;          // Alarm's interval (0 for disabled)
  uint64 alarm_handler;        // Virtual address of the alarm handler (can be 0 due to xv6-rv's userspace memory layout)
  uint64 alarm_last_tick;      // Ticks of the last call
  struct trapframe alarm_tf;   // trapframe for storing original tf
  uint alarm_state;            // 1 if the handler hasn't return
};

前三个变量很好理解，这里解释一下 alarm_tf 和 alarm_state 的意义：

  1. alarm_tf 用于在调用 alarm handler 的过程当中，存储原有的 trapframe（用户态的寄存器状态），这样在 sigreturn() 中可以恢复这个状态，实现恢复执行。
  2. alarm_state 用于防止因为上一个 alarm 信号还没处理完导致的重入
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