操作系统 xv6 相关部分实践

操作系统 xv6-labs 相关部分（改编自 MIT-6.S081-2020 的课程实验）

MIT 原版实验代码的获取：

git clone git://g.csail.mit.edu/xv6-labs-2020

各实验代码的实现位于其它分支下，均已通过所要求的全部测试（部分实验要求与 MIT 原版实验略有不同）。

对应分支： util

需要实现5个Unix实用程序，包括：

了解xv6上用户程序sleep的实现。sleep程序会等待用户指定的时间。
实现pingpong程序，即两个进程在管道两侧来回通信。父进程将“ping”写入管道，子进程从管道将其读出并打印<pid>：received ping，其中<pid>是子进程的进程ID。子进程从父进程收到字符串后，将“pong”写入另一个管道，然后由父进程从该管道读取并打印<pid>：received pong，其中<pid>是父进程的进程ID。
使用管道实现“质数筛选”，输出2~35之间的所有质数。
实现用户程序find，即在目录树中查找名称与字符串匹配的所有文件，输出文件的相对路径。
实现用户程序xargs，即从标准输入中读取行并为每行运行一次指定的命令，且将该行作为命令的参数提供。

对应分支： syscall

任务一：系统调用信息打印
- 需要在xv6加入具有跟踪功能的trace系统调用。它可以打印系统调用信息，来帮助在之后的实验中进行debug。
任务二：添加系统调用sysinfo
- 需要加入一条新的系统调用sysinfo。该系统调用将收集xv6的一些运行信息。sysinfo只需要一个参数，这个参数是结构体sysinfo的指针。xv6内核的工作就是把这个结构体填上应有的数值。

对应分支： lock

任务一：内存分配器
- 修改内存分配器（主要修改kernel/kalloc.c），使每个CPU核使用独立的内存链表，而不是现在的共享链表。
任务二：磁盘缓存
- 在访问文件数据的时候，操作系统会将文件的数据放置在磁盘缓存中。磁盘缓存是不同进程之间的共享资源，因此需要通过锁确保使用的正确性。如果有多进程密集地使用文件系统，它们可能会竞争磁盘缓存的bcache.lock锁。目前，xv6采用单个锁管理磁盘缓存，因此需要修改磁盘缓存块列表的管理机制（主要修改kernel/bio.c），使得可用多个锁管理缓存块，从而减少缓存块管理的锁争用。

对应分支： pgtbl

任务一：打印页表
- 本任务中，需要加入页表打印功能，来帮助在之后的实验中进行debug。首先需要了解页表的数据结构。然后，按层次每页打印即可（可以使用迭代的算法）。
任务二：独立内核页表
- 目前，xv6的每个进程都有自己独立的用户页表（只包含该进程用户内存的映射，从虚拟地址0开始），但是每个进程进入内核的时候，会使用唯一的一个全局共享内核页表。因此，需要将全局共享内核页表改成独立内核页表，使得每个进程拥有自己独立的内核页表，也就是全局共享内核页表的副本。
任务三：简化软件模拟地址翻译
- 目前，xv6使用kernel/vm.c中的copyin()/copyinstr()将用户地址空间的数据拷贝至内核地址空间。它们通过软件模拟翻译的方式获取用户空间地址对应的物理地址，然后进行复制。因此，需要在独立内核页表加上用户地址空间的映射，同时将函数copyin()/copyinstr()中的软件模拟地址翻译改成直接访问，使得内核能够不必花费大量时间，用软件模拟的方法一步一步遍历页表，而是直接利用硬件。
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