ucore lab4

OS课程 ucore_lab4实验报告

练习零：填写已有实验

  本实验依赖实验1/2/3。请把你做的实验1/2/3的代码填入本实验中代码中有“LAB1”,“LAB2”,“LAB3”的注释相应部分。

练习1：分配并初始化一个进程控制块（需要编码）

  alloc_proc函数（位于kern/process/proc.c中）负责分配并返回一个新的struct proc_struct结构，用于存储新建立的内核线程的管理信息。ucore需要对这个结构进行最基本的初始化，你需要完成这个初始化过程。
 

【提示】在alloc_proc函数的实现中，需要初始化的proc_struct结构中的成员变量至少包括：state/pid/runs/kstack/need_resched/parent/mm/context/tf/cr3/flags/name。

static struct proc_struct *alloc_proc(void) {
   
    struct proc_struct *proc = kmalloc(sizeof(struct proc_struct));
    if (proc != NULL) {
   
        proc->state = PROC_UNINIT; // 进程状态
        proc->pid = -1; // 进程ID
        proc->runs = 0; // 进程时间片
        proc->kstack = 0; // 进程所使用的内存栈地址
        proc->need_resched = NULL; // 进程是否能被调度
        proc->parent = NULL; // 父进程
        proc->mm = NULL; // 进程所用的虚拟内存
        memset(&(proc->context), 0, sizeof(struct context)); // 进程的上下文
        proc->tf = NULL; // 中断帧指针
        proc->cr3 = boot_cr3; // 页目录表地址 设为 内核页目录表基址
        proc->flags = 0; // 标志位
        memset(&(proc->name), 0, PROC_NAME_LEN); // 进程名
    }
    return proc;
}

  请在实验报告中简要说明你的设计实现过程。请回答如下问题：

  请说明proc_struct中struct context context和struct trapframe *tf成员变量含义和在本实验中的作用是啥？（提示通过看代码和编程调试可以判断出来）

context 中 保存着各种寄存器的内容 这是为了保存进程上下文 为进程调度做准备
struct context {
   
    uint32_t eip;
    uint32_t esp;
    uint32_t ebx;
    uint32_t ecx;
    uint32_t edx;
    uint32_t esi;
    uint32_t edi;
    uint32_t ebp;
};

struct trapframe {
    struct pushregs tf_regs;
    uint16_t tf_gs;
    uint16_t tf_padding0;
    uint16_t tf_fs;
    uint16_t tf_padding1;
    uint16_t tf_es;
    uint16_t tf_padding2;
    uint16_t tf_ds;
    uint16_t tf_padding3;
    uint32_t tf_trapno;
    /* below here defined by x86 hardware */
    uint32_t tf_err;
    uintptr_t tf_eip;
    uint16_t tf_cs;
    uint16_t tf_padding4;
    uint32_t tf_eflags;
    /* below here only when crossing rings, such as from user to kernel */
    uintptr_t tf_esp;
    uint16_t tf_ss;
    uint16_t tf_padding5;
} __attribute__((packed));

练习2：为新创建的内核线程分配资源（需要编码）

  创建一个内核线程需要分配和设置好很多资源。kernel_thread函数通过调用do_fork函数完成具体内核线程的创建工作。do_kernel函数会调用alloc_proc函数来分配并初始化一个进程控制块，但alloc_proc只是找到了一小块内存用以记录进程的必要信息，并没有实际分配这些资源。ucore一般通过do_fork实际创建新的内核线程。do_fork的作用是，创建当前内核线程的一个副本，它们的执行上下文、代码、数据都一样，但是存储位置不同。在这个过程中，需要给新内核线程分配资源，并且复制原进程的状态。你需要完成在kern/process/proc.c中的do_fork函数中的处理过程。它的大致执行步骤包括：

• 调用alloc_proc，首先获得一块用户信息块。
• 为进程分配一个内核栈。
• 复制原进程的内存管理信息到新进程（但内核线程不必做此事）
• 复制原进程上下文到新进程
• 将新进程添加到进程列表
• 唤醒新进程
• 返回新进程号

int do_fork(uint32_t clone_flags, uintptr_t stack, struct trapframe *tf) {
    if ((proc = alloc_proc()) == NULL) {
        goto fork_out;
    }
    proc->parent = current;
    if (setup_kstack(proc) != 0) {
        goto bad_fork_cleanup_proc;
    }
    if (copy_mm(clone_flags, proc) != 0) {
        goto bad_fork_cleanup_kstack;
    }
    copy_thread(proc, stack, tf);
    bool intr_flag;
    local_intr_save(intr_flag);
    {
        proc->pid = get_pid();
        hash_proc(proc);
        nr_process++;
        list_add(&proc_list, &(proc->list_link));
    }
    local_intr_restore(intr_flag);

    wakeup_proc(proc);
    ret = proc->pid;
}

  请在实验报告中简要说明你的设计实现过程。请回答如下问题：

请说明ucore是否做到给每个新fork的线程一个唯一的id？请说明你的分析和理由。

可以保证每个fork的线程有唯一的ID
因为调用的 get_pid() 函数 每次都从进程控制块链表中找到合适的ID

练习3：阅读代码，理解 proc_run 函数和它调用的函数如何完成进程切换的。（无编码工作）

  请在实验报告中简要说明你对proc_run函数的分析。并回答如下问题：

Q 1. 在本实验的执行过程中，创建且运行了几个内核线程？
Q2. 语句local_intr_save(intr_flag);…local_intr_restore(intr_flag);在这里有何作用?请说明理由

void proc_run(struct proc_struct *proc) {
    if (proc != current) {
        bool intr_flag;
        struct proc_struct *prev = current, *next = proc;
        local_intr_save(intr_flag); // 关闭中断
        {
            current = proc; // 将当前进程换为 要切换到的进程
            // 设置任务状态段tss中的特权级0下的 esp0 指针为 next 内核线程 的内核栈的栈顶
            load_esp0(next->kstack + KSTACKSIZE);
            lcr3(next->cr3); // 重新加载 cr3 寄存器(页目录表基址) 进行进程间的页表切换
            switch_to(&(prev->context), &(next->context)); // 调用 switch_to 进行上下文的保存与切换
        }
        local_intr_restore(intr_flag);
    }
}

• Q1.

两个内核线程 
一个为idle_proc, 为第0个内核线程,完成内核中的初始化,然后调度执行其他进程或线程
另一个为 init_proc 本次实验的内核线程，只用来打印字符串

• Q2.

关闭中断,避免进程切换的中途再被中断(其他进程再进行调度)

完成代码编写后，编译并运行代码：make qemu
结果如下：
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-CNCtyJm6-1574596604116)(https://i.loli.net/2019/11/24/X1b7gCR8wLihQKu.jpg)]

参考：
[1].<https://yuerer.com/%E6%93%8D%E4%BD%9C%E7%B3%BB%E7%BB%9F-uCore-Lab-4/