pke-doc/chapter6.md

## 第六章．（实验5）进程的封装

### 6.1 实验内容

实验要求：在APP里写fork调用，其执行过程将fork出一个子进程。在代理内核中实现fork的处理例程（trap），使其能够支撑APP程序的正确执行。

在本次实验的app4.c文件中，将会测试fork（）函数。代码中170及172系统调用分别对应着sys_fork（）和sys_getpid（）系统调用。调用fork函数后，将会有两个返回。在父进程中，fork返回新创建子进程的进程ID；而在子进程中，fork返回0。你需要阅读proc.c文件，完善相关代码，是的app4.c可以正常运行。

 

**6.1.1 练习一：alloc_proc（需要编程）**

完善"pk/proc.c"中的alloc_proc()，你需要对以下属性进行初始化：

l enum proc_state state;  

l int pid;   

l int runs;   

l uintptr_t kstack; 

l volatile bool need_resched;    

l struct proc_struct *parent;       

l struct mm_struct *mm;      

l struct context context;       

l struct trapframe *tf;            

l uintptr_t cr3;               

l uint32_t flags;           

l char name[PROC_NAME_LEN + 1];   

 

**6.1.2 练习二：do_fork（需要编程）**

完善"pk/proc.c"中的do_fork函数，你需要进行以下工作：

l 调用alloc_proc()来为子进程创建进程控制块

l 调用setup_kstack来设置栈空间

l 用copy_mm来拷贝页表

l 调用copy_thread来拷贝进程

l 为子进程设置pid

l 设置子进程状态为就绪

l 将子进程加入到链表中

 

完成以上代码后，你可以进行如下测试，然后输入如下命令：

`$ riscv64-unknown-elf-gcc ../app/app5.c -o ../app/elf/app5`

`$ spike ./obj/pke app/elf/app5`

预期的输出如下：

```
PKE IS RUNNING
page fault vaddr:0x00000000000100c2
page fault vaddr:0x000000000001e17f
page fault vaddr:0x0000000000018d5a
page fault vaddr:0x000000000001a8ba
page fault vaddr:0x000000000001d218
page fault vaddr:0x000000007f7e8bf0
page fault vaddr:0x0000000000014a68
page fault vaddr:0x00000000000162ce
page fault vaddr:0x000000000001c6e0
page fault vaddr:0x0000000000012572
page fault vaddr:0x0000000000011fa6
page fault vaddr:0x0000000000019064
page fault vaddr:0x0000000000015304
page fault vaddr:0x0000000000017fd4
this is farther process;my pid = 1
sys_exit pid=1
page fault vaddr:0x0000000000010166
page fault vaddr:0x000000000001e160
page fault vaddr:0x000000000001d030
page fault vaddr:0x0000000000014a68
page fault vaddr:0x00000000000162ce
page fault vaddr:0x000000000001c6e0
page fault vaddr:0x0000000000012572
page fault vaddr:0x0000000000011fa6
page fault vaddr:0x0000000000019064
page fault vaddr:0x000000000001abb6
page fault vaddr:0x0000000000015304
page fault vaddr:0x0000000000017fd4
page fault vaddr:0x0000000000018cd4
this is child process;my pid = 2
sys_exit pid=2
```

如果你的app可以正确输出的话，那么运行检查的python脚本：

`./pke-lab5`

若得到如下输出，那么恭喜你，你已经成功完成了实验六！！！

 

```
build pk : OK
running app5 : OK
 test fork : OK
Score: 20/20
```

### 6.2 基础知识

**6.2.1 进程结构**

   在pk/proc.h中，我们定义进程的结构如下：

```
 42  struct proc_struct {
 43    enum proc_state state;         
 44    int pid;                 
 45    int runs;                
 46    uintptr_t kstack;            
 47    volatile bool need_resched;        
 48    struct proc_struct *parent;                   
 50    struct context context;           
 51    trapframe_t *tf;           
 52    uintptr_t cr3;               
 53    uint32_t flags;              
 54    char name[PROC_NAME_LEN + 1];       
 55    list_entry_t list_link;           
 56    list_entry_t hash_link;           
 57  };
```

​    可以看到在41行的枚举中，我们定义了进程的四种状态，其定义如下：

```
 11  enum proc_state {
 12    PROC_UNINIT = 0,  
 13    PROC_SLEEPING,   
 14    PROC_RUNNABLE,   
 15    PROC_ZOMBIE,   
 16  };
```

​    四种状态分别为未初始化(PROC_UNINIT)、睡眠（PROC_SLEEPING）、可运行（PROC_RUNNABLE）以及僵死（PROC_ZOMBIE）状态。

​    除却状态，进程还有以下重要属性：

l pid：进程id，是进程的标识符

l runs：进程已经运行的时间

l kstack：进程的内核栈空间

l need_resched：是否需要释放CPU

l parent：进程的父进程

l context：进程的上下文

l tf：当前中断的栈帧

l cr3：进程的页表地址

l name：进程名

除了上述属性，可以看到在55、56行还维护了两个进程的链表，这是操作系统内进程的组织方式，系统维护一个进程链表，以组织要管理的进程。

 

**6.2.2 设置第一个内核进程idleproc**

   在"pk/pk.c"的rest_of_boot_loader函数中调用了proc_init来设置第一个内核进程：

```
317  void
318  proc_init() {
319    int i;
320    extern uintptr_t kernel_stack_top;
321
322    list_init(&proc_list);
323    for (i = 0; i < HASH_LIST_SIZE; i ++) {
324      list_init(hash_list + i);
325    }
326
327    if ((idleproc = alloc_proc()) == NULL) {
328      panic("cannot alloc idleproc.\n");
329    }
330
331    idleproc->pid = 0;
332    idleproc->state = PROC_RUNNABLE;
333    idleproc->kstack = kernel_stack_top;
334    idleproc->need_resched = 1;
335    set_proc_name(idleproc, "idle");
336    nr_process ++;
337
338    currentproc = idleproc;
339
340  }
```

​    322行的proc_list是系统所维护的进程链表，324行的hash_list是一个大小为1024的list_entry_t的hash数组。在对系统所维护的两个list都初始化完成后，系统为idleproc分配进程结构体。然后对idleproc的各个属性进行设置，最终将currentproc改为idleproc。

​    在上述代码中，我们只是为idleproc分配了进程控制块，但并没有切换到idleproc，真正的切换代码在proc_init函数后面的run_loaded_program以及cpu_idle函数中进行。

 

**6.2.3 do_fork**

​    在run_loaded_program中有如下代码：

```
140  trapframe_t tf;
141  init_tf(&tf, current.entry, stack_top);
142  __clear_cache(0, 0);
143  do_fork(0,stack_top,&tf);
144  write_csr(sscratch, kstack_top);
```

​    在这里，声明了一个trapframe，并且将它的gpr[2]（sp）设置为内核栈指针，将它的epc设置为current.entry，其中current.entry是elf文件的入口地址也就是app的起始执行位置，随即，我们调用了do_frok函数，其中传入参数stack为0表示我们正在fork一个内核进程。

​    在do_frok函数中，你会调用alloc_proc()来为子进程创建进程控制块、调用setup_kstack来设置栈空间，调用copy_mm来拷贝页表，调用copy_thread来拷贝进程。现在，我们来对以上函数进行分析。

​    setup_kstack函数代码如下，在函数中，我们为进程分配栈空间，然后返回：

```
210  static int
211  setup_kstack(struct proc_struct *proc) {
212     proc->kstack = (uintptr_t)__page_alloc();
213    return 0;
214  }
```

copy_mm k函数代码如下，在函数中，我们对页表进行拷贝。

```
228  static int
229  copy_mm(uint32_t clone_flags, struct proc_struct *proc) {
230    //assert(currentproc->mm == NULL);
231    /* do nothing in this project */
232    uintptr_t cr3=(uintptr_t)__page_alloc();
233    memcpy((void *)cr3,(void *)proc->cr3,RISCV_PGSIZE);
234    proc->cr3=cr3;
235    return 0;
236  }
```

​    最后是copy_thread函数：

```
240  static void
241  copy_thread(struct proc_struct *proc, uintptr_t esp, trapframe_t *tf) {
242    proc->tf = (trapframe_t *)(proc->kstack + KSTACKSIZE - sizeof(trapframe_t));
243    *(proc->tf) = *tf;
244
245    proc->tf->gpr[10] = 0;
246    proc->tf->gpr[2] = (esp == 0) ? (uintptr_t)proc->tf -4 : esp;
247
248    proc->context.ra = (uintptr_t)forkret;
249    proc->context.sp = (uintptr_t)(proc->tf);
250  }
```

​    在函数中，首先对传入的栈帧进行拷贝，并且将上下文中的ra设置为地址forkret，将sp设置为该栈帧。

​    完成以上几步后，我们为子进程设置pid，将其加入到进程链表当中，并且设置其状态为就绪。

​         

**6.2.3 上下文切换**

​    每个进程都有着自己的上下文，在进程间切换时，需要对上下文一并切换。

​    在pk/proc.c的cpu_idle中有以下代码：

```
374  void
375  cpu_idle(void) {
376    while (1) {
377      if (currentproc->need_resched) {
378        schedule();
379      }
380    }
381  }
```

​    在当前进程处于need_resched状态时，会执行调度算法schedule，其代码如下：

```
 16  void
 17  schedule(void) {
 18    list_entry_t *le, *last;
 19    struct proc_struct *next = NULL;
 20    {
 21      currentproc->need_resched = 0;
 22      last = (currentproc == idleproc) ? &proc_list : &(currentproc->list_link);
 23      le = last;
 24      do {
 25        if ((le = list_next(le)) != &proc_list) {
 26          next = le2proc(le, list_link);
 27          if (next->state == PROC_RUNNABLE) {
 28            break;
 29          }
 30        }
 31      } while (le != last);
 32      if (next == NULL || next->state != PROC_RUNNABLE) {
 33        next = idleproc;
 34      }
 35      next->runs ++;
 36      if (next != currentproc) {
 37        proc_run(next);
 38      }
 39    }
 40  }
```

​     在schedule函数中找到下一个需要执行的进程，并执行，执行代码proc_run如下：

```
145  void
146  proc_run(struct proc_struct *proc) {
147    if (proc != currentproc) {
148      bool intr_flag;
149      struct proc_struct *prev = currentproc, *next = proc;
150      currentproc = proc;
151      write_csr(sptbr, ((uintptr_t)next->cr3 >> RISCV_PGSHIFT) | SATP_MODE_CHOICE);
152      switch_to(&(prev->context), &(next->context));
153
154    }
155  }
```

​    当传入的proc不为当前进程时，执行切换操作：

```
7 switch_to:
 8   # save from's registers
 9   STORE ra, 0*REGBYTES(a0)
 10   STORE sp, 1*REGBYTES(a0)
 11   STORE s0, 2*REGBYTES(a0)
 12   STORE s1, 3*REGBYTES(a0)
 13   STORE s2, 4*REGBYTES(a0)
 14   STORE s3, 5*REGBYTES(a0)
 15   STORE s4, 6*REGBYTES(a0)
 16   STORE s5, 7*REGBYTES(a0)
 17   STORE s6, 8*REGBYTES(a0)
 18   STORE s7, 9*REGBYTES(a0)
 19   STORE s8, 10*REGBYTES(a0)
 20   STORE s9, 11*REGBYTES(a0)
 21   STORE s10, 12*REGBYTES(a0)
 22   STORE s11, 13*REGBYTES(a0)
 23
 24   # restore to's registers
 25   LOAD ra, 0*REGBYTES(a1)
 26   LOAD sp, 1*REGBYTES(a1)
 27   LOAD s0, 2*REGBYTES(a1)
 28   LOAD s1, 3*REGBYTES(a1)
 29   LOAD s2, 4*REGBYTES(a1)
 30   LOAD s3, 5*REGBYTES(a1)
 31   LOAD s4, 6*REGBYTES(a1)
 32   LOAD s5, 7*REGBYTES(a1)
 33   LOAD s6, 8*REGBYTES(a1)
 34   LOAD s7, 9*REGBYTES(a1)
 35   LOAD s8, 10*REGBYTES(a1)
 36   LOAD s9, 11*REGBYTES(a1)
 37   LOAD s10, 12*REGBYTES(a1)
 38   LOAD s11, 13*REGBYTES(a1)
 39
 40   ret
```

​    可以看到，在switch_to中，我们正真执行了上一个进程的上下文保存，以及下一个进程的上下文加载。在switch_to的最后一行，我们执行ret指令，该指令是一条从子过程返回的伪指令，会将pc设置为x1（ra）寄存器的值，还记得我们在copy_thread中层将ra设置为forkret嘛？现在程序将从forkret继续执行：

```
160  static void
161  forkret(void) {
162    extern elf_info current;
163    load_elf(current.file_name,&current);
164
165    int pid=currentproc->pid;
166    struct proc_struct * proc=find_proc(pid);
167    write_csr(sscratch, proc->tf);
168    set_csr(sstatus, SSTATUS_SUM | SSTATUS_FS);
169    currentproc->tf->status = (read_csr(sstatus) &~ SSTATUS_SPP &~ SSTATUS_SIE) | SSTATUS_SPIE;
170    forkrets(currentproc->tf);
171  }
```

 

​    我们进入forkrets：

```
121  forkrets:
122    # set stack to this new process's trapframe
123    move sp, a0
124    addi sp,sp,320
125    csrw sscratch,sp
126    j start_user
```

 

 

```
 76  .globl start_user
 77 start_user:
 78  LOAD t0, 32*REGBYTES(a0)
 79  LOAD t1, 33*REGBYTES(a0)
 80  csrw sstatus, t0
 81  csrw sepc, t1
 82
 83  # restore x registers
 84  LOAD x1,1*REGBYTES(a0)
 85  LOAD x2,2*REGBYTES(a0)
 86  LOAD x3,3*REGBYTES(a0)
 87  LOAD x4,4*REGBYTES(a0)
 88  LOAD x5,5*REGBYTES(a0)
 89  LOAD x6,6*REGBYTES(a0)
 90  LOAD x7,7*REGBYTES(a0)
 91  LOAD x8,8*REGBYTES(a0)
 92  LOAD x9,9*REGBYTES(a0)
 93  LOAD x11,11*REGBYTES(a0)
 94  LOAD x12,12*REGBYTES(a0)
 95  LOAD x13,13*REGBYTES(a0)
 96  LOAD x14,14*REGBYTES(a0)
 97  LOAD x15,15*REGBYTES(a0)
 98  LOAD x16,16*REGBYTES(a0)
 99  LOAD x17,17*REGBYTES(a0)
100  LOAD x18,18*REGBYTES(a0)
101  LOAD x19,19*REGBYTES(a0)
102  LOAD x20,20*REGBYTES(a0)
103  LOAD x21,21*REGBYTES(a0)
104  LOAD x22,22*REGBYTES(a0)
105  LOAD x23,23*REGBYTES(a0)
106  LOAD x24,24*REGBYTES(a0)
107  LOAD x25,25*REGBYTES(a0)
108  LOAD x26,26*REGBYTES(a0)
109  LOAD x27,27*REGBYTES(a0)
110  LOAD x28,28*REGBYTES(a0)
111  LOAD x29,29*REGBYTES(a0)
112  LOAD x30,30*REGBYTES(a0)
113  LOAD x31,31*REGBYTES(a0)
114  # restore a0 last
115  LOAD x10,10*REGBYTES(a0)
116
117  # gtfo
118  sret
```

​    可以看到在forkrets最后执行了sret，程序就此由内核切换至用户程序执行！！

​