Lab Mmap

前置知识

lab lazy, lab file

Task: mmap

这个task难度较大，要求我们将文件映射到用户地址，让用户程序可以直接读写操作文件。

首先定义结构体mvma，将它添加到proc结构体中并初始化。

// proc.h
struct mvma {
  uint64 addr; // 起始地址
  int len; // 文件长度
  int offset; // 偏移量(在这个lab中始终为0)
  int flags; // 标志位
  int protection; // 权限
  int fd; // 文件描述符
  struct file *fl; // 文件
  int used; // 是否正在被使用
};
...
  char name[16];               // Process name (debugging)
  struct mvma vma[NVMA]; //记得去宏定义
···
// allocproc()
found:
...
  memset(&p->vma, 0, sizeof (p->vma));

添加syscall mmap, munmap(在sysfile中)，注意在user.h中的函数声明形式
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// user.h
void* mmap(void*, int, int, int, int, int);
int munmap(void*, int);

为sys_mmap添加内容。具体做法类似lazy，每次寻找一个可用的vma，储存参数，增加文件引用次数，增加page计数但不分配物理页。

uint64
sys_mmap(void)
{
  struct proc*p = myproc();
  int len, offset, prot, flags, fd;
  uint64 addr;
  struct file *f;

  if (argaddr(0, &addr) < 0 || argint(1, &len) < 0 || argint(2, &prot) < 0 || argint(3, &flags) < 0 || argfd(4, &fd, &f) < 0 || argint(5, &offset) < 0)
    goto bad;
  
  len = PGROUNDUP(len);  
  if(addr != 0 || offset != 0 || len < 0) // 根据实验手册要求进行检查
    goto bad;
  if (!f->writable && (prot & PROT_WRITE) && (flags == MAP_SHARED))
    goto bad;
  if (MAXVA - len < p->sz) // 越界
    goto bad;
  if (!f->readable &&  (prot & PROT_READ)) // 可读性
    goto bad;
  

  for (int i = 0; i < NVMA; i++)
  {
    if (p->vma[i].used == 0) {

      struct mvma* crvma = &p->vma[i];
      crvma->used = 1;
      crvma->addr = p->sz; // 注意顺序！！！
      p->sz += len; // 注意顺序！！！
      crvma->len = len;
      crvma->flags = flags;
      crvma->protection = prot;
      crvma->fd = fd;
      crvma->offset = offset;
      crvma->fl = f;
      filedup(f); // 增加引用计数
      return crvma->addr;
    }
  }
  goto bad;

  bad: return 0xffffffffffffffff;
}

类似lazy，因为我们没有分配物理页，因此当进程访问这个文件时会发生pagefault。此时进入usertrap，我们需要在里面进行物理页分配。
注意：在usertrap中非常容易出现错误。比如，任意环节出现需要kill进程的时候设置完p->killed = 1后不能向后执行，否则sbrkfail不过。再比如，小心使用goto，因为在这里面出现问题后并不是直接返回，而是设置killed位后统一调用exit。

// trap.c
 else if (r_scause() == 13 || r_scause() == 15) {

    uint64 va = r_stval();
    struct proc *p = myproc();
    if (va > MAXVA || va > p->sz) {
      p->killed = 1;
    }
    else {
      struct mvma* crvma = 0;
      int found = 0;
      for (int i = 0; i < NVMA; i++) //通过比对地址与长度来寻找特定的mvma
      {
        crvma = &p->vma[i];
        if (crvma->used && va >= crvma->addr && va < crvma->addr + crvma->len) {
          found = 1;
          break;
        }
      }
      if (!found){
        p->killed = 1;
        goto bad;
      }

      va = PGROUNDDOWN(va); // 地址对齐
      uint64 pa = (uint64)kalloc();
      if (pa == 0) {
        p->killed = 1; 
        goto bad;
      }

      memset((void*)pa, 0, PGSIZE);

      ilock(crvma->fl->ip);
      if (readi(crvma->fl->ip, 0, pa, crvma->offset + va - crvma->addr, PGSIZE) < 0) {
        iunlock(crvma->fl->ip);
        p->killed = 1;
        goto bad;
      } // 读取文件内容

      iunlock(crvma->fl->ip); // 对文件操作需要锁

      int flag = PTE_U; // 设立标志位
      if (crvma->protection & PROT_READ)
        flag |= PTE_R;
      if (crvma->protection & PROT_WRITE)
        flag |= PTE_W;
      if (crvma->protection & PROT_EXEC)
        flag |= PTE_X;
      if (mappages(p->pagetable, va, PGSIZE, pa, flag) < 0) { // 添加映射
        kfree((void*)pa);
        p->killed = 1;
        goto bad;
      }
    }
    bad:;
      //printf("mmap trap failed");
  }

完成munmap。这里面除了取消映射，写回文件以外，还需要根据munmap操作的文件位置分类操作。当操作的是整个文件的时候，记得减少引用计数，当操作的是部分文件的时候(头部或尾部，中间部分不在lab范围内)，需要对mvma的地址，长度等进行相应修改。

uint64
sys_munmap(void)
{
  struct proc *p = myproc();
  uint64 addr;
  int len;
  struct mvma *crvma;  
  if (argaddr(0, &addr) < 0 || argint(1, &len) < 0)
    return -1;
  
  for (int i = 0; i <= NVMA; i++)
  {
    if (i == NVMA){
      return -1;      
    } 

    crvma = &p->vma[i];
    if (crvma->used && addr >= crvma->addr && addr <= crvma->addr + crvma->len) {
      break;
    }
  }

  addr = PGROUNDDOWN(addr);
  len = PGROUNDUP(len); // 长度取整
  if (crvma->flags & MAP_SHARED) {
    if (filewrite(crvma->fl, addr, len) < 0){
      //printf("filewrite failed");
      //return -1; // why can't go error?      
    }

  }

  uvmunmap(p->pagetable, addr, len / PGSIZE, 1);

  if (addr == crvma->addr && len == crvma->len) { // all pages
    fileclose(crvma->fl);
    crvma->used = 0;
  }
  else if(addr == crvma->addr) { // start pages
    crvma->addr += len;
    crvma->len -= len;
    crvma->offset += len;

  }
  else if((addr + len) == (crvma->addr + crvma->len)) { // end pages
    crvma->len -= len;
  }
  else {
    printf("Not allowed in this lab");
    return -1;
  }
  return 0;
}

回忆lazy lab，需要将uvmunmap和uvmcopy中的panic continue掉。

// uvmunmap(), uvmcopy
    if((*pte & PTE_V) == 0)
      continue;
    //  panic("uvmunmap: not mapped");

修改exit，取消对应映射并写回文件。

// proc.c
  // unmap all the mmap pages
  for (int i = 0; i < NVMA; i++)
  {
    if (p->vma[i].used)
    {
      if (p->vma[i].flags & MAP_SHARED)
        filewrite(p->vma[i].fl, p->vma[i].addr, p->vma[i].len);
      fileclose(p->vma[i].fl);
      uvmunmap(p->pagetable, p->vma[i].addr, p->vma[i].len / PGSIZE, 1);
      p->vma[i].used = 0;
    }
  }

  begin_op();

修改fork，使子进程copy父进程的mvma。

for (int i = 0; i < NVMA; i++)
{
  if (p->vma[i].used)
  {
    memmove(&np->vma[i], &p->vma[i], sizeof(p->vma[i]));
    filedup(p->vma[i].fl);
  }
}