操作系统 uCore Lab 5

练习0：填写已有实验

请把你做的实验1/2/3/4的代码填入本实验中代码中有“LAB1”,“LAB2”,“LAB3”,”LAB4”的注释相应部分。注意：为了能够正确执行lab5的测试应用程序，可能需对已完成的实验1/2/3/4的代码进行进一步改进。

这几个文件补上 说真的最烦这个步骤 但是这次 不只是直接复制 还要补充
vmm.c trap.c default_pmm.c pmm.c proc.c

以下为补充的代码块

proc.c: 
static struct proc_struct * alloc_proc(void) {
    proc->state = PROC_UNINIT;
    proc->pid = -1;
    proc->runs = 0;
    proc->kstack = 0;
    proc->need_resched = NULL;
    proc->parent = NULL;
    proc->mm = NULL;
    memset(&(proc->context), 0, sizeof(struct context));
    proc->tf = NULL;
    proc->cr3 = boot_cr3;
    proc->flags = 0;
    memset(&(proc->name), 0, PROC_NAME_LEN);


    // 新添加: 初始化进程等待状态 初始化进程相关指针
    proc->wait_state = 0; 
    proc->cptr = proc->yptr = proc-> optr = NULL;
    |   cptr: proc is parent          |
    |   yptr: proc is younger sibling |
    |   optr: proc is older sibling   |
}
int do_fork(uint32_t clone_flags, uintptr_t stack, struct trapframe *tf) {
    if ((proc = alloc_proc()) == NULL) {
        goto fork_out;
    }
    proc->parent = current;

    // 添加这行 确保 当前进程正在等待    
    assert(current->wait_state == 0);

    if (setup_kstack(proc) != 0) {
        goto bad_fork_cleanup_proc;
    }
    if (copy_mm(clone_flags, proc) != 0) {
        goto bad_fork_cleanup_kstack;
    }
    copy_thread(proc, stack, tf);
    bool intr_flag;
    local_intr_save(intr_flag);
    {
        proc->pid = get_pid();
        hash_proc(proc);

        // 删除此行 nr_process++ 和 加入链表那行 添加下面那行;
        // 将原来的简单 计数 改成设置进程的相关链接
        set_links(proc);
    }
    local_intr_restore(intr_flag);

    wakeup_proc(proc);
    ret = proc->pid;
}

trap.c:
static void trap_dispatch(struct trapframe *tf) {
    // 时间片用完 设置进程 为 需要被调度
    if (++ticks % TICK_NUM == 0) {
        assert(current != NULL);
        current->need_resched = 1;
    }
}
void idt_init(void) {
    int i;
    for (i = 0; i < sizeof(idt) / sizeof(struct gatedesc); i++) {
        SETGATE(idt[i], 0, GD_KTEXT, __vectors[i], DPL_KERNEL);
    }
    // 添加下面这行
    // 设置给用户态用的中断门 让用户态能够进行系统调用
    SETGATE(idt[T_SYSCALL], 1, GD_KTEXT, __vectors[T_SYSCALL], DPL_USER);

    lidt(&idt_pd);
}

练习1: 加载应用程序并执行

do_execv函数调用load_icode（位于kern/process/proc.c中）来加载并解析一个处于内存中的ELF执行文件格式的应用程序，建立相应的用户内存空间来放置应用程序的代码段、数据段等，且要设置好proc_struct结构中的成员变量trapframe中的内容，确保在执行此进程后，能够从应用程序设定的起始执行地址开始执行。需设置正确的trapframe内容。

请在实验报告中简要说明你的设计实现过程。

以下为要填写的内容 首先清空进程原先的中断帧 然后再将 中断帧中的 代码段 和 数据段
修改为 用户态的段选择子 栈指针设置为 用户栈顶 eip 设置为 用户程序的入口地址
最后 确保在用户进程中能够响应中断
static int load_icode(unsigned char *binary, size_t size) {
    tf->tf_cs = USER_CS;
    tf->tf_ds = tf->tf_es = tf->tf_ss = USER_DS;
    tf->tf_esp = USTACKTOP;
    tf->tf_eip = elf->e_entry;
    tf->tf_eflags = FL_IF;
}

请在实验报告中描述当创建一个用户态进程并加载了应用程序后，CPU是如何让这个应用程序最终在用户态执行起来的。即这个用户态进程被ucore选择占用CPU执行（RUNNING态）到具体执行应用程序第一条指令的整个经过。

在此之前先理一下 用户态进程是怎么来的

1. 创建了一个 硬构造了 第0个 内核线程 idleproc
2. idleproc 通过 kernel_thread 创建了 第1个内核线程 initproc 在 lab 4 中只是打印字符串
3. initproc 通过 kernel_execve 将 hello应用程序执行码覆盖到了 initproc 用户虚拟内存空间 来创建 用户态进程

创建一个用户态进程并加载了应用程序之后 调度器 schedule 调用 proc_run
设置 指针 current 为当前执行PCB 并加载 该进程的 内核栈和页目录表
调用 switch_to 因为 当前进程的 context 其中的 eip 被设置为 forkret(copy_thread 拷贝父进程的中断帧时设置的) 因此 switch_to ret 后
会跳转到 forkret 处 forkret 又会 将栈 设置为 当前进程的trapframe 然后跳到 __trapret
此时 __trapret 会根据当前进程的trapframe 恢复上下文 最后 退出中断 iret 从系统调用的函数调用路径 返回
切换到用户进程 hello 第一句语句 _start 处 开始执行

练习2: 父进程复制自己的内存空间给子进程

创建子进程的函数do_fork在执行中将拷贝当前进程（即父进程）的用户内存地址空间中的合法内容到新进程中（子进程），完成内存资源的复制。具体是通过copy_range函数（位于kern/mm/pmm.c中）实现的，请补充copy_range的实现，确保能够正确执行。

这个函数是用来 拷贝父进程的用户内存地址空间到子进程中 share 此处没用到 不管它
int copy_range(pde_t *to, pde_t *from, uintptr_t start, uintptr_t end, bool share) {
    // 找到父进程的 页虚拟内存地址 和 子进程的 页虚拟内存地址 将 父进程的页 拷贝到 子进程的页
    void* src_kvaddr = page2kva(page);
    void* dst_kvaddr = page2kva(npage);
    memcpy(dst_kvaddr, src_kvaddr, PGSIZE);
    ret = page_insert(to, npage, start, perm);
}

练习3: 阅读分析源代码，理解进程执行 fork/exec/wait/exit 的实现，以及系统调用的实现

请在实验报告中简要说明你对 fork/exec/wait/exit函数的分析。并回答如下问题：

• 请分析fork/exec/wait/exit在实现中是如何影响进程的执行状态的？

fork 创建新的 PCB 进程状态为 UNINIT
exec 将当前进程的内存布局清除 再调用 load_icode 读出 ELF映像中的内存布局 并填写 进程状态不改变
wait 当前进程若无子进程 则返回错误 若有子进程 则判定 是否为 ZOMBIE 子进程 有则释放子进程的资源 并返回子进程的返回状态码
若无 ZOMBIE 状态子进程 则进入 SLEEPING 状态 等子进程唤醒
exit 清除当前进程几乎所有资源(PCB和内核栈不清除) 将所有子进程(如果有的话)设置为 init 进程(内核) 将当前进程状态设置为 ZOMBIE
若有父进程在等待当前进程exit 则 唤醒父进程

• 请给出ucore中一个用户态进程的执行状态生命周期图（包执行状态，执行状态之间的变换关系，以及产生变换的事件或函数调用）

                                             RUNNING----------------+
                                               A |                  |
                                               | |                  |
                                            proc_run()            exit()  
                                               | |                  |
                                               | V                  V
--alloc_page()--> UNINIT --wakeup_proc()--> RUNNABLE --exit()--> ZOMBIE
                                               A                    A
                                               |                    |
                                           子进程exit()            exit()
                                               |                    |
                                               |                    |
                                            SLEEPING----------------+

最后附上运行结果 做这个 lab 的时候 给绕的很晕 要特别注意 各个函数 分别修改了 中断帧 和 上下文的 eip esp 的哪些内容
比如 kernel_thread 将 tf->eip 设置为 kernel_thread_entry 当此进程被调度上去的时候
就会跳到 kernel_thread_entry 去执行 fn 这个函数
copy_thread 将 tf->eip 设置为 forkret 而 forkret 会执行这条指令 movl 4(%esp), %esp 将 context->esp 当做 栈顶
而 context->esp 又在 copy_thread 中 被设置为 中断帧的栈顶