前言

已经是第二章的内容了，这一章不再是停在用户态去完成实验，而会深入到内核态，增加内核态的系统调用。

实验使用win10 + wsl2 Ubuntu 20.04完成。

内容总览

在上一个实验中，您使用系统调用编写了一些实用程序。在本实验中，您将向 xv6 添加一些新的系统调用，这将帮助您了解它们的工作原理，并让您了解 xv6 内核的一些内部结构。您将在以后的实验中添加更多系统调用。

包括：

• trace：建一个新的系统调用trace来控制跟踪。它应该接受一个参数，一个整数"mask"，代表了要追踪的系统调用。

  例如，为了跟踪 fork 系统调用，程序调用 trace(1 << SYS_fork)，其中 SYS_fork 是来自 kernel/syscall.h 的系统调用号。

• Sysinfo：新建系统调用Sysinfo，收集有关正在运行的系统的信息。

reference

• ref1：第二章实验要求
• ref2：MIT6.s081-2020 操作系统入门 Lab2 System Calls
• ref3：MIT 6.S081 2020 Lab2 system calls讲解
• ref4：MIT 6.S081 Lab2

十分感谢以上大佬开源的贡献。知识参考：课程内容翻译 github

内容1：System call tracing

在本作业中，您将添加一个系统调用跟踪功能，该功能可能会在以后调试实验时帮助您。

您将创建一个新的系统调用trace来控制跟踪。它应该接受一个参数，一个整数"mask"，代表了要追踪的系统调用。

例如，为了跟踪 fork 系统调用，程序调用 trace(1 << SYS_fork)，其中 SYS_fork 是来自 kernel/syscall.h 的系统调用号。

**如果掩码中设置了系统调用的编号，则必须修改 xv6 内核以在每个系统调用即将返回时打印出一行。**该行应包含进程id、系统调用的名称和返回值；您不需要打印系统调用参数。系统调用trace应该启用对调用它的进程以及它随后派生的任何子进程的跟踪，但不应影响其他进程。

提示和理解

题目理解

这个trace()函数的作用是，第一个参数是掩码，因为int是32位最多能表示31个系统调用，被置为1的那个系统调用位就会被跟踪并打印信息。例如trace 32 grep hello README就会跟踪grep hello README这个过程下的所有read命令，因为1<<SYS_read就是等于32

前置知识

网上有很多关于怎么完成这个实验的步骤说明，ref2和ref3我亲测都可以可以完成实验并且通过测试，但是很仔细说明原理的。所以我来解说下。

首先按照要求阅读 xv6 book，以及一些文件：

• 书本内容：Before you start coding, read Chapter 2 of the xv6 book, and Sections 4.3 and 4.4 of Chapter 4, and related source files:
• 用户态理解：The user-space code for systems calls is in user/user.h and user/usys.pl.
• 内核态理解：The kernel-space code is kernel/syscall.h, kernel/syscall.c.
• 进程设计：The process-related code is kernel/proc.h and kernel/proc.c.

但是这里缺少了关键的需要阅读文件，如果不看就不懂得做这个实验：

kernel/kalloc.c

1. Xv6内核源文件

这里是列出是为了让大家知道哪些文件决定着整个内核的功能，不然会对程序流程很懵逼。

文件	说明
bio.c	文件系统的磁盘块高速缓存
console.c	连接到用户的键盘和屏幕
entry.S	第一次启动指令
exec.c	系统调用
fs.c	文件系统
kalloc.c	物理页面分配器
kernelvec.S	处理来自内核的陷阱，以及计时器中断
log.c	文件系统日志记录和崩溃恢复
main.c	控制引导过程中其他模块的初始化
pipe.c	管道
plic.c	RISC-V中断控制器
printf.c	格式化输出到控制台。
proc.c	进程和调度
sleeplock.c	占据cpu的锁
spinlock.c	不占据cpu的锁
start.c	早期机器模式启动代码。
string.c	C的字符串
swtch.S	线程切换
syscall.c	映射：调度系统调用 -> 处理功能
sysfile.c	与文件相关的系统调用
sysproc.c	与进程相关的系统调用
trampoline.S	在用户和内核之间切换的汇编代码
trap.c	处理陷阱和中断的返回
uart.c	串口控制台设备驱动程序
virtio_disk.c	磁盘设备驱动程序
vm.c	管理页表和地址空间

2. xv6 的进程视图

流程与代码

下面这张图很清晰地展示了做的流程。

具体的代码请参考reference2

# 功能测试

$ trace 32 grep hello README
3: syscall read -> 1023
3: syscall read -> 966
3: syscall read -> 70
3: syscall read -> 0
$ trace 2147483647 grep hello README
4: syscall trace -> 0
4: syscall exec -> 3
4: syscall open -> 3
4: syscall read -> 1023
4: syscall read -> 966
4: syscall read -> 70
4: syscall read -> 0
4: syscall close -> 0
$ grep hello README
$ trace 2 usertests forkforkfork
usertests starting
6: syscall fork -> 7
test forkforkfork: 6: syscall fork -> 8
8: syscall fork -> 9
9: syscall fork -> 10
9: syscall fork -> 11
10: syscall fork -> 12
...
9: syscall fork -> -1
10: syscall fork -> -1
12: syscall fork -> -1
OK
6: syscall fork -> 69
ALL TESTS PASSED

内容2：Sysinfo

在这个作业中，您将添加一个系统调用 sysinfo，它收集有关正在运行的系统的信息。

系统调用接受一个参数：指向struct sysinfo的指针（参见 kernel/sysinfo.h）。

内核应填写此结构的字段：

• freemem 字段应设置为空闲内存的字节数，
• nproc字段应设置为状态不是UNUSED的进程数。

我们提供了一个测试程序sysinfotest；如果它打印“sysinfotest：OK”，你就通过了这个任务。

提示

都很直白，按照步骤走。

1. Add $U/_sysinfotest to UPROGS in Makefile

2. Runmake qemu; user/sysinfotest.c will fail to compile. Add the system call sysinfo, following the same steps as in the previous assignment. To declare the prototype for sysinfo() in user/user.h you need predeclare the existence of struct sysinfo:

   struct sysinfo;
   int sysinfo(struct sysinfo *);
     
   

   Once you fix the compilation issues, run sysinfotest; it will fail because you haven’t implemented the system call in the kernel yet.

3. sysinfo needs to copy a struct sysinfo back to user space; see sys_fstat() (kernel/sysfile.c) and filestat() (kernel/file.c) for examples of how to do that using copyout().

4. To collect the amount of free memory, add a function to kernel/kalloc.c

5. To collect the number of processes, add a function to kernel/proc.c

操作流程

这里ref4讲得很详细，跟着ref4就行，逻辑跟内容1差不多，就不画流程图了。

后话

这部分的实验，让我们知道了怎么新添一个系统调用，以及如何在用户态和系统态之间交换和打交道。第一个实验不熟悉，比较困难，画了流程图之后就清晰明了许多。第二个实验就熟悉了。

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