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@ -1,357 +0,0 @@
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# 操作系统实 验 报 告
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## 实验名称： 系统调用扩充
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学 员1：栗端宇 学 号： 201902001022
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学 员2：贺子然 学 号： 201902001027
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培养类型：无军籍本科学员
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年 级：2019级
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专 业：计算机类
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所属学院：计算机学院
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指导教员：文艳军
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职 称：教授
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实 验 室：306-704
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实验日期： 2021.7.8
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国防科学技术大学训练部制
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《实验报告》填写说明
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1. 学员完成人才培养方案和课程标准要所要求的每个实验后，均须提交实验报告。
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2. 实验报告封面必须打印，报告内容可以手写或打印。
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3. 实验报告内容编排及打印应符合以下要求：
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（1）采用A4（21cm×29.7cm）白色复印纸，单面黑字打印。上下左右各侧的页边距均为3cm；缺省文档网格：字号为小4号，中文为宋体，英文和阿拉伯数字为Times New Roman，每页30行，每行36字；页脚距边界为2.5cm，页码置于页脚、居中，采用小5号阿拉伯数字从1开始连续编排，封面不编页码。
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（2）报告正文最多可设四级标题，字体均为黑体，第一级标题字号为4号，其余各级标题为小4号；标题序号第一级用“一、”、“二、”……，第二级用“（一）”、“（二）” ……，第三级用“1.”、“2.” ……，第四级用“（1）”、“（2）” ……，分别按序连续编排。
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（3）正文插图、表格中的文字字号均为5号。
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## 一、实验目的和内容
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（一）实验目的：深入掌握系统调用的实现方法，掌握进程地址空间的表示方法，掌握可执行文件的加载过程，掌握 Linux 的页故障处理过程。
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（二）实验内容：以版本 0 内核为基础，增加一组系统调用（详情如下），并通过给定的测试用例。
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| **系统调用名字** | **功能** | **是否必做** |
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| ---------------- | ------------------------------------------------------------ | ------------ |
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| execve2 | 以“立即加载”方式执行一个可执行文件，要求加载完后运行时该进程不产生缺页异常。 | 是 |
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| getdents | 获取一组目录项 | 是 |
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| pipe2 | 创建管道 | 是 |
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| sleep | 进程睡眠 | 是 |
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| getcwd | 获取当前工作目录 | 否 |
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| mmap | 将一个文件映射到进程地址空间中 | 否 |
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| munmap | 解除文件到地址空间的映射 | 否 |
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| clone | 创建进程，要求新进程共享当前进程除栈以外的地址空间 | 否 |
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要求提交实验报告和所有源码，实验报告应记录各系统调用的设计思路、实现方法和测试过程及画面。
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## 二、操作方法与实验步骤
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### 1. 首先了解整个实验的工作流程，明确小组分工
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认真阅读实验说明，对实验进行整体把握，通过011文件中的oscomp_syscalls.md文件了解实验的系统调用需要做什么事情，然后明确小组分工。
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### **2.** 添加八个系统调用的声明
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因为使用到的系统调用都没有声明,因此应在内核代码中统一添加八个系统调用的声明和实现,修改unistd.h中的宏定义,sys_call_table。并且要保证虚拟机内的头文件与内核中保持一致。
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添加系统调用号，在系统调用表中添加系统调用实现函数，声明系统调用实现函数(在sys.h中):
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unistd.h代码修改如下：
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```C
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#define __NR_execve2 87
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#define __NR_getdents 88
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#define __NR_pipe2 89
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#define __NR_sleep 90
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#define __NR_getcwd 91
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#define __NR_mmap 92
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#define __NR_munmap 93
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#define __NR_clone 94
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```
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sys.h代码修改如下：
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```C
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extern int sys_execve2();
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extern int sys_getdents();
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extern int sys_pipe2();
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extern int sys_sleep();
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extern int sys_getcwd();
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extern int sys_mmap();
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extern int sys_munmap();
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extern int sys_clone();
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fn_ptr sys_call_table[] = { sys_setup, sys_exit, sys_fork, sys_read,
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sys_write, sys_open, sys_close, sys_waitpid, sys_creat, sys_link,
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sys_unlink, sys_execve, sys_chdir, sys_time, sys_mknod, sys_chmod,
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sys_chown, sys_break, sys_stat, sys_lseek, sys_getpid, sys_mount,
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sys_umount, sys_setuid, sys_getuid, sys_stime, sys_ptrace, sys_alarm,
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sys_fstat, sys_pause, sys_utime, sys_stty, sys_gtty, sys_access,
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sys_nice, sys_ftime, sys_sync, sys_kill, sys_rename, sys_mkdir,
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sys_rmdir, sys_dup, sys_pipe, sys_times, sys_prof, sys_brk, sys_setgid,
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sys_getgid, sys_signal, sys_geteuid, sys_getegid, sys_acct, sys_phys,
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sys_lock, sys_ioctl, sys_fcntl, sys_mpx, sys_setpgid, sys_ulimit,
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sys_uname, sys_umask, sys_chroot, sys_ustat, sys_dup2, sys_getppid,
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sys_getpgrp, sys_setsid, sys_sigaction, sys_sgetmask, sys_ssetmask,
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|
sys_setreuid,sys_setregid, sys_sigsuspend, sys_sigpending, sys_sethostname,sys_setrlimit, sys_getrlimit, sys_getrusage, sys_gettimeofday, sys_settimeofday, sys_getgroups, sys_setgroups, sys_select, sys_symlink,sys_lstat, sys_readlink, sys_uselib,
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sys_execve2,sys_getdents,sys_pipe2,sys_sleep,sys_getcwd,sys_mmap,sys_munmap,sys_clone
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};
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```
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修改系统调用数量的宏定义如下图所示，由原来的87个修改为95个:
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```C
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nr_system_calls = 95 /* 72 */
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```
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### **3.** 对内核进行修改，完成系统调用
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使用mkdir test命令新建文件夹，将老师给的include以及测试文件放入test文件夹（将文件导入b文件夹，使用mcopy命令导入内核，在这里由于文件夹不能导入，所以每导入一个文件夹需要创建一个空文件夹，再导入其中的内容），然后使用make指令，生成可执行文件
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#### **(1) sys_execve2：**
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关键在于“立即加载”的实现。考虑在execve的基础上进行修改,先考察sys_execve的实现。其中调用了do_execve。先根据sys_execve的实现完全复制一个sys_execve2的实现:
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```assembly
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.align 4
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sys_execve2:
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lea EIP(%esp),%eax
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pushl %eax
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call do_execve2
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addl $4,%esp
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ret
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```
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同样复制一份do_execve2，下面修改do_execve2:
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do_no_page函数是处理缺页故障的函数,如果在do_execve2执行功能结束后人工调用do_no_page来处理故障,可以使得每一次do_execve2处理后都不出现缺页。(等于是把本来操作系统做的缺页处理提前到了do_execve2中),因此从current结构体里面找到do_no_page需要的参数:分别是进程的起始地址和数据段偏移。
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```c
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void do_no_page_myself(unsigned long error_code,unsigned long address)
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{
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int nr[4];
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unsigned long tmp;
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unsigned long page;
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int block,i;
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address &= 0xfffff000;
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tmp = address - current->start_code;
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if (!current->executable || tmp >= current->end_data) {
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get_empty_page(address);
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return;
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}
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if (share_page(tmp))
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return;
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if (!(page = get_free_page()))
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oom();
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/* remember that 1 block is used for header */
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block = 1 + tmp/BLOCK_SIZE;
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for (i=0 ; i<4 ; block++,i++)
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nr[i] = bmap(current->executable,block);
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bread_page(page,current->executable->i_dev,nr);
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i = tmp + 4096 - current->end_data;
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tmp = page + 4096;
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while (i-- > 0) {
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tmp--;
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*(char *)tmp = 0;
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}
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if (put_page(page,address))
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return;
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free_page(page);
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oom();
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}
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```
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其中do_no_page_myself函数与do_no_page函数完全一致,重新复制是为了区分do_execve2与其余系统调用产生缺页的区别,方便调试。在execve2中修改代码如下（修改部分红框标出）
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测试代码运行如下，测试成功
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#### **(2) sys_getdents**
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通过文件可知，该系统调用目的在于获取目录项，由上课学习的知识可知，文件系统有PCB（打开文件表）、读写状态信息表、活跃文件目录表，其中目录中的目录项储存在活跃文件目录表所指向的块中
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根据函数的参数类型可以发现，我们可以根据fd变量找到当前目录，并获得其读写信息表信息
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```C
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int getdents(unsigned int fd, struct linux_dirent *dirp, unsigned int count);
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```
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根据struct file的结构，我们发现有指向活跃文件目录表的f_inode指针，并据此我们得到该目录内容
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通过i_zone[]我们可以得到存放目录项得块内容
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为了读取块中信息，我们使用bread函数来读取（理论上应该遍历i_zone，但由于目录项只有16字节，而一个块有1024字节，可容纳64个目录项，故不予考虑）
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```c
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block=bread(f_inode->i_dev,f_inode->i_zone[0]);
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```
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根据bread函数返回值，block是buffer_head *类型，指向块内容，块中目录项结构如图所示：
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然后根据老师要求的输出格式中，将目录项结构中的inode和name进行赋值（d_reclen赋linux_dirent，d_off赋0），可以通过for循环遍历直到所有目录项被录入。
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同时我们需要将用户态的数据传入内核态
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定义一个int类型变量用来记录目录项长度。
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运行检验代码如下
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#### **(3) sys_sleep:**
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sleep的功能是使进程睡眠seconds秒。利用sys_signal函数,sys_alarm函数和sys_pause函数实现功能:首先分析睡眠的含义:进程挂起一段确定时间后继续重新调度并且运行。
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要达到挂起进程,我们想到使用sys_pause,但是sys_pause挂起后就不会按时唤醒,只能依靠固有的调度算法,所以我们需要用sys_alarm函数来唤醒进程。
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但如果仅仅使用sys_alarm唤醒,该函数会向系统发出一个软中断信号SIGALRM,来使得操作系统中断掉这个进程,因此我们需要屏蔽掉这个信号产生的效果。
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利用sys_signal函数 ,其第一个参数是需要处理的信号,第二个参数是处理信号的方式,以如下方式使用代表忽略接下来产生的SIGALRM信号。因此可以实现目的功能。
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#### **(4) sys_pipe2:**
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根据名称判断，该系统调用为sys_pipe的变形。同时根据描述，两者功能没有区别，故尝试直接对sys_pipe进行封装
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其中filedes[0] 和filedes[1]分别是管道的读取端和写入端。
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直接将利用pipe2封装pipe即可:
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运行检测代码测试如下：
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#### **(5)sys_getcwd:**
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与getdents相似，都运用了文件管理方面的知识。为了获取当前工作目录，我们可以访问“..”，从而我们可以获得上一级目录的目录项的i节点号（所有），同时我们可以得到当前目录的i节点号，采用这种方法我们就可以通过匹配来得到当前目录的名称，并以此类推直到达到根目录（具体数据结构与sys_getdents相同故不再赘述）
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获取上级目录，记录目录内容并计数
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```C
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while (i >= 0)
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{
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int last_node=dr->inode;
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node = iget(current->root->i_dev, (dr + 1)->inode);
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bh = bread(current->root->i_dev, node->i_zone[0]);
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dr = (struct dir_entry *)(bh->b_data);
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int j = 2;
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while (dr->name[0] != '\0')
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{
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if ((dr + j)->inode == last_node)
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break;
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j++;
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}
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if ((dr + j)->name[0] == '\0')
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|
break;
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|
dir[i] = (dr + j)->name;
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|
|
i++;
|
|
|
|
|
}
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|
```
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|
|
|
|
|
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将保存的数据链接成路径导入rd中
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```C
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for (; i >= 0; i--)
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{
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k2 = 0;
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while (dir[i][k2] != '\0')
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{
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rd[k1] = dir[i][k2];
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k1++;
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k2++;
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}
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if (i == 0)
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break;
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rd[k1] = '/';
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k1++;
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}
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```
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将用户内容导入内核
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```C
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char word;
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for (i = 0; i <= k1; i++)
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{
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word = rd[i];
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put_fs_byte(word, (char *)(buf + i));
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}
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return rd;
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```
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运行测试程序结果如下：
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## 三、实验结果与分析
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添加了8个系统调用，完成了其中必做的四个系统调用，并且全部通过检验。检验结果已截图展示在实验步骤中。
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## 四、问题与建议(可选)
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<对实验过程中出现的问题进行描述、分析，提出解决思路和方法，无法解决的，要说明原因；记录实验心得体会，提出建议。>
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