Lab5 Copy-on-Write

COW机制介绍

COW的机制其实非常简单，核心思想还是将内存的分配推迟：在fork()的时候只是将子进程的虚拟页映射到父进程的物理内存上；当之后发生了实际的写内存操作引发page fault后，再进行实际的内存分配。

COW实现

尽管COW的机制非常简单，实现起来也看似简单，但是非常易错，且调试难度也比较大（多核并发）

具体代码见：cow lab

实现过程基本上参考手册的那几步就行：

1、修改 uvmcopy() 函数，将parent的物理页映射到child的页表中，而不是分配新的物理页，并且清空PTE_W标志，设置cow page的标识。

// uvmcopy for cow fork
// it maps the parent's physical pages into the child
// instead of allocating the new pages
// and clear the PTE_W flag and set the cow page sign
int
uvmcopy(pagetable_t old, pagetable_t new, uint64 sz)
{
  pte_t *pte;
  uint64 pa, i;
  uint flags;

  for(i = 0; i < sz; i += PGSIZE){
    if((pte = walk(old, i, 0)) == 0)
      panic("uvmcopy: pte should exist");
    if((*pte & PTE_V) == 0)
      panic("uvmcopy: page not present");
    pa = PTE2PA(*pte);
    flags = PTE_FLAGS(*pte);

    flags = (flags & (~PTE_W)) | PTE_COW; // clear the PTE_W and set the cow sign
    *pte = PA2PTE(pa) | flags; // update the parent's pte flags

    if(mappages(new, i, PGSIZE, pa, flags) != 0){
      panic("uvmcopy: can't map the parent's physical pages into child.");
      goto err;
    }
    add_refcount(PGROUNDDOWN(pa));
  }
  return 0;

  err:
    uvmunmap(new, 0, i / PGSIZE, 0);
    return -1;
}

2、在usertrap()中识别page fault，并进行相应的处理。

...
else if (scause == 15 || scause == 12){
    // page fault
    uint64 va = r_stval(); // error va
    if (cowcopy(p->pagetable, va) != 0) {
      p->killed = 1;
    }
} 
...

3、对物理页设置引用计数机制

这一部分应该是最难的一块，需要考虑并发加锁。

struct {
  struct spinlock lock;
  struct run *freelist;
  uint8 page_references[(PHYSTOP-KERNBASE)/PGSIZE];
} kmem;

4、修改copyout，机制和处理page fault一样

...
va0 = PGROUNDDOWN(dstva);

   if (cowcopy(pagetable, va0) != 0) return -1;

   pa0 = walkaddr(pagetable, va0);
...

错误汇总

1、报错 remap

原因是在建立新的映射之前，要先将原来的映射取消掉；

2、scause = 2 非法指令

思考排错的过程：

初步猜测是：在用户空间使用内核指令？

根据backtrace出错的位置：在用户空间是 cowtest 中的 simpletest，在wait(0)后面的print语句引发了错误；在内核空间是 r_scause() 引发了错误

可能是地址空间出现错误！需要严格检查地址是否越界等！

但是 该错误一直没有得到解决

经过长时间的debug，发现出现错误的原因是没有正确地实现引用计数机制，出现了并发的错误。本来在实现的过程中，是想实现一点测试一点的，以为实现好了基本的功能应该能跑过简单测试，所以在排错的时候一直没有考虑是引用计数的问题！

3、减少引用计数的位置

在修改引用计数机制的时候，我是希望将引用的更新作为一个函数，然后当更新后的引用为0的时候再调用kfree释放物理内存，这个时候就会出现一个问题：这样实现相当于在kfree的前面加了一层引用更新函数，在cow page的相关实现中是可以正确调度内存的释放，但是系统的其他地方会有直接调用kfree的情况，就会导致 即使该内存页的引用不为0 该内存页还是被释放了的情况，所以减少引用计数的位置应该在kfree中。

结果