# 十二、
来源：[JOS学习笔记（十二）](http://blog.csdn.net/roger__wong/article/details/9988619)
快找工作了，一直没更新，放假一周的时间抽了点工夫做了LAB4的PART B，总体来说还是感觉比较难的，尤其是一段汇编代码和异常栈那乱七八糟的堆栈。
## 一、概述
本部分实验主要是实现一个copy on write的fork函数，第一步是实现一个用户态的page fault处理机制：首先用户态使用一个系统调用传递给内核态一个函数指针作为page fault的回调函数，接着当发生page fault时内核进行简单的判断将该函数需要的一个特殊数据结构压栈，再使用iret跳到用户态执行此回调函数，执行完之后接着继续执行原先的用户态函数。第二步是在此基础上实现一个copy on write的fork，首先复制父进程地址空间的映射（也就是页目录和页表），然后把对应的页表全部变成不可写，并在保留位加入特殊符号，因此当写操作时候会报page fault错，报错后转入用户态的，在用户态把出错的页面复制后进行重新映射，之后继续返回源程序执行。
看起来不复杂，实际调试起来非常繁琐，内核crash上百次后总算是调通了。
## 二、实验
### Exercise 7
实现一个设置page_fault_upcall的系统调用，较为简单：
```
static int
sys_env_set_pgfault_upcall(envid_t envid, void *func)
{
// LAB 4: Your code here.
struct Env* env;
int ret=envid2env(envid,&env,1);
if(ret<0)
return ret;
env->env_pgfault_upcall=func;
cprintf("func :0x%x \r\n",func);
return 0;
//panic("sys_env_set_pgfault_upcall not implemented");
}
```
### Exercise 8
实现内核态的page_fault处理函数，该函数负责跳转到用户态的upcall（也就是pfentry.S），并为用户态的page_fault_handler设置好参数。
为什么要在用户态进行处理，即使用env_run进而调用而不是直接跳转到upcall函数指针处执行？个人认为，是因为直接在内核态处理过于危险，用户可以借此注入高权限的恶意代码。
```
void
page_fault_handler(struct Trapframe *tf)
{
uint32_t fault_va;
fault_va = rcr2();
if((tf->tf_cs & 3)==0)
{
//内核态的错误依然没法处理
print_trapframe(tf);
panic("kernel mode page faults!!");
}
//判断用户是否给异常栈进行了映射
user_mem_assert(curenv,(void*)(UXSTACKTOP-PGSIZE),PGSIZE,0);
if(curenv->env_pgfault_upcall==NULL )
{
//没有注册用户态的upcall函数
cprintf("[%08x] user fault va %08x ip %08x\n",
curenv->env_id, fault_va, tf->tf_eip);
env_destroy(curenv);
return ;
}
//构造数据结构，并复制，这个数据结构将传递给用户态的处理函数
struct UTrapframe utf;
memmove((void*)(&utf.utf_regs),(void*)(&(tf->tf_regs)),sizeof(tf->tf_regs));//复制寄存器
(&utf)->utf_eflags=tf->tf_eflags;//复制flags
(&utf)->utf_eip=tf->tf_eip;//复制eip
(&utf)->utf_err=tf->tf_err;//复制err
(&utf)->utf_esp=tf->tf_esp;//复制esp
(&utf)->utf_fault_va=fault_va;
int espaddr=0;
if(tf->tf_esp>=UXSTACKTOP-PGSIZE && tf->tf_esp<=UXSTACKTOP-1)
{
//运行到这里说明是在用户态的异常处理函数里产生了异常
struct Page* page=page_lookup(curenv->env_pgdir,(void*)(tf->tf_esp-4),0);
if(page==NULL)
{
cprintf("non Page ...\r\n");
page=page_alloc(ALLOC_ZERO);
page_insert(curenv->env_pgdir,page,(void*)(tf->tf_esp-4),PTE_U|PTE_W);
}
memmove((void*)((tf->tf_esp)-4-sizeof(utf)),&utf,sizeof(utf));
espaddr=tf->tf_esp-4-sizeof(utf);//新的栈顶
}
else
{
//将UTrapframe放到栈顶
memmove((void*)(UXSTACKTOP-sizeof(utf)),&utf,sizeof(utf));
espaddr=UXSTACKTOP-sizeof(utf);//改变栈指针，注意栈的生长是从高到底生长
}
struct Env *env=curenv;
int calladdr=Paddr((int)env->env_pgfault_upcall);
curenv->env_tf.tf_eip=(int)env->env_pgfault_upcall;//将eip设置为upcall
curenv->env_tf.tf_esp=espaddr;//设置堆栈地址
env_run(curenv);//返回用户态执行
}
```
### Exercise 9
完成pfentry.S，主要是在用户态的page_fault_handler结束后如何恢复现场并跳回原程序执行。
```
.text
.globl _pgfault_upcall
_pgfault_upcall:
// Call the C page fault handler.
pushl %esp // function argument: pointer to UTF
movl _pgfault_handler, %eax
call *%eax
addl $4, %esp // pop function argument
addl $8, %esp
movl %esp,%eax
addl $32,%esp
popl %ebx
addl $4,%esp
popl %esp
pushl %ebx
movl %eax,%esp
popal
addl $4,%esp
popf
popl %esp
subl $4,%esp
ret
```
这段代码较为难以阅读，首先给出_pgfault_handler结束后的堆栈：
```
// trap-time esp
// trap-time eflags
// trap-time eip
// utf_regs.reg_eax
// ...
// utf_regs.reg_esi
// utf_regs.reg_edi
// utf_err (error code)
// utf_fault_va <-- %esp
```
然后按顺序汇编代码做了这么以下几件事：
+ 首先esp+8，即跳过utf_fault_va和errcode，指向reg_edi。
+ 然后把这个esp存放在eax中。
+ 接着esp+32，即指向trap-time eip。
+ 然后调用popl，此时eip存放在了ebx中，esp指向eflags
+ 然后跳过eflags，指向trap-time esp
+ 接着把这个esp出栈替代原先的esp。
+ 把ebx里的内容，也就是trap-time eip压入新的堆栈里
+ 将eax里的内容放入esp，此时esp又重新指向reg_edi
+ 使用popal恢复所有寄存器
+ esp+4，跳过trap-time eip，然后popf恢复eflags。此时esp指向trap-time esp
+ 接着此esp出栈并替换原esp。
+ 然后esp-4，即指向我们之前压入的trap-time eip
+ 调用ret，弹出指令后堆栈指向trap-time esp所指向的位置，程序能够正常执行。
### Exercise 10
完成用户态的set_pgfault_handler函数，较为简单
```
void
set_pgfault_handler(void (*handler)(struct UTrapframe *utf))
{
int r;
if (_pgfault_handler == 0) {
//如果是第一次赋值，则要先非配异常栈，然后再设置upcall
int envid=sys_getenvid();
int r=sys_page_alloc(envid,(void*)UXSTACKTOP-PGSIZE,PTE_U|PTE_W|PTE_P);
if(r<0)
{
panic("alloc uxstack fail");
}
sys_env_set_pgfault_upcall(envid, (void*) _pgfault_upcall);
}
// Save handler pointer for assembly to call.
_pgfault_handler = handler;
}
```
### Exercise 11
首先我发现了一个我在env.c中env_setup_vm中的一个错误，我只复制了页目录，没有复制页表导致所有进程共享了一个页表，一个修改导致其余的也修改。下面是改正后的函数：
```
static int
env_setup_vm(struct Env *e)
{
int i;
struct Page *p = NULL;
cprintf("env_setup_vm\r\n");
// Allocate a page for the page directory
if (!(p = page_alloc(ALLOC_ZERO)))
return -E_NO_MEM;
e->env_pgdir=page2kva(p);
for(i=PDX(UTOP);i<1024;i++)
{
if(kern_pgdir[i]!=0)
{
struct Page* page=page_alloc(ALLOC_ZERO);
e->env_pgdir[i]=(int)page2pa(page)|PTE_P|PTE_W|PTE_U;
if(page==NULL)
{
return -E_NO_MEM;
}
struct Page* kernpage=pa2page(PTE_ADDR(kern_pgdir[i]));
memmove(page2kva(page),page2kva(kernpage),PGSIZE);
}
}
p->pp_ref++;
page_insert(e->env_pgdir,p,(void*)UVPT,PTE_P|PTE_U);
return 0;
}
```
给出fork.c整个文件，较为简单，即使出错也是因为一些粗心导致的错误。
```
// implement fork from user space
#include <inc/string.h>
#include <inc/lib.h>
// PTE_COW marks copy-on-write page table entries.
// It is one of the bits explicitly allocated to user processes (PTE_AVAIL).
#define PTE_COW 0x800
//
// Custom page fault handler - if faulting page is copy-on-write,
// map in our own private writable copy.
//
static void
pgfault(struct UTrapframe *utf)
{
void *addr = (void *) utf->utf_fault_va;
uint32_t err = utf->utf_err;
int r;
extern volatile pte_t vpt[];
if((vpt[PDX(addr)] & (0 |PTE_W |PTE_COW))==0)
{
panic("PTE WRONG!!\r\n");
}
int envid=sys_getenvid();
int result=sys_page_alloc(envid,PFTEMP,PTE_U|PTE_W|PTE_P);
memmove(PFTEMP,ROUNDDOWN(addr,PGSIZE),PGSIZE);
sys_page_map(envid,(void*) PFTEMP,envid,(void*)ROUNDDOWN(addr,PGSIZE), PTE_U|PTE_W|PTE_P);
}
//
// Map our virtual page pn (address pn*PGSIZE) into the target envid
// at the same virtual address. If the page is writable or copy-on-write,
// the new mapping must be created copy-on-write, and then our mapping must be
// marked copy-on-write as well. (Exercise: Why do we need to mark ours
// copy-on-write again if it was already copy-on-write at the beginning of
// this function?)
//
// Returns: 0 on success, < 0 on error.
// It is also OK to panic on error.
//
static int
duppage(envid_t envid, unsigned pn)
{
int r=sys_getenvid();
int result=0;
int perm=0;
if(pn*PGSIZE==UXSTACKTOP-PGSIZE)
return 0; //整个地址空间除异常栈之外全部进行重新映射
perm = (perm |PTE_P| PTE_U|PTE_COW );
result=sys_page_map(r, (void*)(pn*PGSIZE),envid, (void*)(pn*PGSIZE), perm);
result=sys_page_map(r, (void*)(pn*PGSIZE),r, (void*)(pn*PGSIZE), perm);
return 0;
}
//
// User-level fork with copy-on-write.
// Set up our page fault handler appropriately.
// Create a child.
// Copy our address space and page fault handler setup to the child.
// Then mark the child as runnable and return.
//
// Returns: child's envid to the parent, 0 to the child, < 0 on error.
// It is also OK to panic on error.
//
// Hint:
// Use vpd, vpt, and duppage.
// Remember to fix "thisenv" in the child process.
// Neither user exception stack should ever be marked copy-on-write,
// so you must allocate a new page for the child's user exception stack.
//
envid_t
fork(void)
{
// LAB 4: Your code here.
//panic("fork not implemented");
//cprintf("this is Fork!\r\n");
set_pgfault_handler(pgfault);
envid_t envid;
uint8_t *addr;
int r;
extern unsigned char end[];
envid = sys_exofork();
if (envid < 0)
panic("sys_exofork: %e", envid);
if (envid == 0) {
thisenv = &envs[ENVX(sys_getenvid())];
return 0;
}
// cprintf("user : create new env finish! %d\r\n",envid);
sys_page_alloc(envid,(void*)UXSTACKTOP-PGSIZE,PTE_U|PTE_W|PTE_P);
extern volatile pte_t vpt[];
int i,j;
for(i=0;i<=UTOP/PGSIZE-1;i++)
{
if((vpt[i/1024] &(0|PTE_P))!=0 )
{
duppage(envid,i);
}
}
if ((r = sys_env_set_status(envid, ENV_RUNNABLE)) < 0)
panic("sys_env_set_status: %e", r);
cprintf("this is Fork finish!!\r\n");
return envid;
}
// Challenge!
int
sfork(void)
{
panic("sfork not implemented");
return -E_INVAL;
}
```
