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news 2025/6/29 17:59:24

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本文来源：

https://mp.weixin.qq.com/s/kPwvXMZ2cv8uQNZIsKcAjA

在上一个实验中，你使用系统调用编写了一些实用程序。在本实验中，你将向xv6添加一些新的系统调用，这将帮助你了解它们是如何工作的，同时，让你了解xv6内核的一些内部结构。在以后的实验中你可能会添加更多的系统调用。

在开始编码之前，请阅读xv6手册的第2章、第4章的4.3节、4.4节以及下面所列相关源文件：

系统调用的用户空间代码：在user/user.h和user/usys.pl中。

内核空间代码：在kernel/syscall.h和kernel/syscall.c中。

与进程相关的代码：在kernel/proc.h和kernel/proc.c中。

开始本实验前，请切换到syscall分支:

$ git fetch

$ git checkout syscall

$ make clean

1. 系统调用跟踪 (难度：中等）

任务：在xv6中添加一个系统调用跟踪功能，该功能可帮助你在以后的实验中调试程序。您将创建一个新的trace系统调用来控制跟踪。它应该有一个参数，一个整数“mask”，其位指定要跟踪的系统调用。例如，为了跟踪fork系统调用，程序调用trace（1<<SYS_fork），其中SYS_fork是kernel/syscall.h中的syscall编号。如果在掩码中设置了系统调用的编号，则必须修改xv6内核，以便在每个系统调用即将返回时输出一行。该行应包含进程id、系统调用的名称和返回值；不需要输出系统调用参数。trace系统调用应启用对调用它的进程及其随后派生的任何子进程的跟踪，但不应影响其他进程。

我们提供了一个跟踪用户级程序，该程序运行另一个启用了跟踪的程序（请参见user/trace.c）。完成后，您应该看到如下输出：

例1: trace调用grep仅仅跟踪read系统调用。32是1<<SYS_read。注：输出的第一段是进程标识符PID，第二段是系统调用名称，第三段是系统调用返回码。

例2: trace跟踪所有运行grep时调用的系统调用，其中2147583647的低31位都为1。

例3: 程序没有被跟踪，因此没有打印跟踪输出。

例4：usertests中的forkforkfork测试的所有后代的fork系统调用都被跟踪。

如果程序的行为如上所示，则你的实验方案是正确的（尽管进程ID可能不同）。

提示：

● 将$U/_trace添加到Makefile的UPROGS中

● 运行make qemu，您将看到编译器无法编译user/trace.c，这是因为系统调用的用户空间的存根（stubs）还不存在：将系统调用的原型添加到user/user.h，将存根添加到user/usys.pl中，并将syscall编号添加到kernel/syscall.h。Makefile调用perl脚本user/usys.pl，它生成user/usys.S，即实际的系统调用存根，它使用RISC-V ecall指令转换到内核。一旦你修复了编译问题，运行trace 32 grep hello README；它将失败，因为您尚未在内核中实现系统调用。

● 在kernel/sysproc.c中添加一个sys_strace( )函数，通过在proc结构的新变量中记住其参数来实现新的系统调用（请参见kernel/proc.h）。从用户空间检索系统调用参数的函数在kernel/syscall.c中，您可以在kernel/sysproc.c中看到它们的使用示例。

● 修改fork( )（参见kernel/proc.c）将跟踪掩码从父进程复制到子进程。

● 修改kernel/syscall.c中的syscall( )函数以输出跟踪输出。您需要添加一个syscall名称数组来索引到其中。

实验参考步骤

步骤1：用户接口代码的修改

(1) 在user/user.h中添加系统调用函数的定义。

(2) 在user/usys.pl中添加入口entry("trace")。

在make时会调用usys.pl生成user/usys.S汇编程序。在该汇编程序中，每个函数有五行，其中有三条指令，其功能是将系统调用号通过li(load imm)存入a7寄存器，之后使用ecall指令进入内核态，最后返回。

make后user/usys.S中将出现下图中.global trace开始的5行代码。

步骤2：内核代码的修改

(1)在kernel/syscall.h中定义系统调用号。

(2)在kernel/syscall.c的syscalls函数指针数组中添加对应的函数。

在syscall函数中，可读取trapframe->a7获取系统调用号，之后根据该系统调用号查找syscalls数组中的对应的处理函数并调用。

(3)在proc结构体中添加一个trace_mask字段，之后在创建子进程的fork函数中复制该字段到新进程。

kernel/proc.h

kernel/proc.c

(4)系统调用sys_trace的实现。在sysproc.c中添加函数uint64 sys_trace(void)，该函数通过argint函数读取参数赋值给mask变量，然后与trace_mask字段位或即可。

(5) 修改syscall函数，当系统调用号和trace_mask匹配时输出相关信息。

注意上图中的黄线处的syscall_name[num],这个需要定义。如下图所示。

步骤3：编写应用工具（注：源代码中已提供）

user/trace.c

步骤4：修改Makefile,将$U/_trace添加到Makefile的UPROGS中。

步骤5：make qemu，然后测试。

2. Sysinfo (难度：中等）

任务：增加一个sysinfo系统调用，它收集有关运行系统的信息。该系统调用有一个参数，即指向结构sysinfo的指针（参见kernel/sysinfo.h）。内核为该结构的各个字段赋值：设置freemem字段为可用内存的字节数，设置nproc字段为状态是非UNUSED的进程数。实验提供了一个测试程序sysinfotest，如果输出“sysinfotest:OK”，则该任务通过。

提示：

● 将$U/_sysinfotest添加到Makefile的UPROGS中。

● 运行make qemu，user/sysinfotest.c将无法编译。添加系统调用sysinfo，步骤与前面的trace系统调用相同。要在user/user.h中声明sysinfo( )的原型，预先声明struct sysinfo的存在：

struct sysinfo;

int sysinfo(struct sysinfo *);

● 修改上述编译问题后，运行sysinfotest将会失败，因为你尚未在内核中实现系统调用。

● sysinfo需要将struct sysinfo复制到用户空间，请参阅sys_fstat( )(kernel/sysfile.c)和filestat( )(kernel/file.c)以获取如何使用copyout()执行此操作的示例。

● 请在kernel/kalloc.c中添加一个函数，收集可用内存量。

● 请在kernel/proc.c中添加一个函数，收集进程数。

实验参考步骤

步骤1：用户接口代码的修改

(1) 在user/user.h中声明struct sysinfo的存在。(注：struct sysinfo在kernel/sysinfo.h中定义。

(2) 在user/user.h中添加系统调用函数的定义。

(3) 在user/usys.pl中添加入口 entry("sysinfo")。

make后user/usys.S中将出现下图中.global sysinfo开始的5行代码。

步骤2：内核代码的修改

(1)在kernel/syscall.h中定义系统调用号。

(2)在kernel/syscall.c的syscalls函数指针数组中添加对应的函数及函数名。

(3)freemem()函数的实现。

阅读kalloc和kfree两个函数可知，kmem.freelist是一个保存了当前空闲内存块的链表，因此只需要统计这个链表的长度再乘以PGSIZE就可以得到空闲内存。（注：kalloc和kfree两个函数在kernel/kalloc.c文件中。）

在kernel/defs.h中声明freemem函数。

在kernel/kalloc.c中添加freemem函数。

// get free memory
uint64
freemem(void)
{uint64 counter = 0;struct run *r;acquire(&kmem.lock);  // 上锁r = kmem.freelist;    // 空闲块链表while(r){    // 遍历空闲块链表，统计空闲块块数r = r->next;++counter;}release(&kmem.lock); // 释放自旋锁return counter * PGSIZE; // 返回空闲存储空间大小，单位字节（B）
}

(4)nproc()函数的实现。

阅读procdump和相关代码可知，xv6的进程结构体保存在proc[NPROC]数组中。而proc->state字段保存了进程的当前状态，有UNUSED、SLEEPING、RUNNABLE、RUNNING、ZOMBIE五种状态。因此只需要遍历这个数组，统计state不是UNUSED状态的就行了。

在kernel/defs.h中声明nproc函数。

在kernel/proc.c中添加nproc函数。


// get number of proc
uint64
nproc(void)
{uint64 counter = 0;struct proc *p;// 遍历进程控制块，即OS课程中的PCBfor(p = proc; p < &proc[NPROC]; p++) { acquire(&p->lock);if(p->state != UNUSED) {++counter;}release(&p->lock);}return counter;
}

(5)系统调用sys_sysinfo的实现。在sysproc.c中添加函数uint64 sys_sysinfo(void)。该函数主要通过freemem和nproc两个函数来统计空闲内存量和进程数。首先在kernel/proc.c中添加头文件#include "sysinfo.h"

添加sys_sysinfo(void)系统调用代码。


// get sysinfo
uint64
sys_sysinfo(void)
{uint64 info; // user pointerstruct sysinfo kinfo;struct proc *p = myproc();if(argaddr(0, &info) < 0){return -1;}kinfo.freemem = freemem();kinfo.nproc = nproc();if(copyout(p->pagetable, info, (char*)&kinfo, sizeof(kinfo)) < 0){return -1;}return 0;
}

步骤3：编写应用工具（注：源代码中已提供了测试程序sysinfotest）

步骤4：修改Makefile,将$U/_sysinfotest添加到Makefile的UPROGS中。