Nachos 实验11 设计并实现用户空间的虚拟内存管理上Word格式文档下载.docx
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//Thepagenumberinrealmemory（relativetothe
//startof"
mainMemory"
//对应于图1中的物理页
boolvalid;
//Ifthisbitisset,thetranslationisignored.
//（Inotherwords,theentryhasn'
tbeeninitialized.）
boolreadOnly;
//Ifthisbitisset,theuserprogramisnotallowed
//tomodifythecontentsofthepage.
booluse;
//Thisbitissetbythehardwareeverytimethe
//pageisreferencedormodified.
booldirty;
//pageismodified.
intinFileAddr;
//Theaddressofthissegmentofdatainthefile.
//对于vmcode、vminitData，inFileAddr代表在源文件中的addr
//对应于图1中的linux系统下的文件*.noff.
//对于vmuninitData、vmuserStack，inFileAddr代表在SWAP文件中的位置
PageTypetype;
//Thetypeofthisentry.
//标明页中数据的类型
};
为了实现虚拟内存的页置换，在以上类中增加一个该页在文件中块偏移量inFileAddr和当前页存储的数据的类型的type。
其中type的类型PageType定义为枚举类型，写在文件translate.h中。
enumPageType
{vmcode,vminitData,vmuninitData,vmuserStack};
分别代表此页数据为代码，初始化数据，未初始化数据，用户栈。
交换区SWAP
曾在实验7-8中，在progtest.cc文件中声明了BitMap*Mmbmp（如图1），记录mainMemory中物理页的分配情况。
它的位置表明了，此Mmbmp的作用域是整个Nachos系统，它不隶属于任何一个用户进程。
当然，我们可以实现一个更好的方式：
将Mmbmp放到Machine中，但是这要修改Machine的定义，如果查看Machine类定义就可以知道，Machine牵扯到Nachos的核心的系统控制，为了尽量保证Nachos系统的稳定性，则将BitMap*Mmbmp作为全局变量放在了progtest.cc中。
同样的道理，将交换区文件SWAP的生命周期与Mmbmp相似，同时SWAP也需要一个BitMap*SwapBitmap记录SWAP各个页的使用情况，所以，在protest.cc中添加声明：
BitMap*Mmbmp=newBitMap（NumPhysPages）;
//bitmapforallocatingofphysicalpagesinfjkdjkmainMemory.
BitMap*SwapBitmap=newBitMap（NumPhysPages）;
//bitmapforSWAPfile,
//assumethesizeofSWAPfileisNumPhyPages.
OpenFile*SwapFile=fileSystem->
Open（"
SWAP"
）;
//stubinNachos_Linux
//在lab11的目录下建立文件SWAP
NoffHeader
修改原有的结构体NoffHeader为类类型，目的是为了能够将NoffHeader作为AddrSpace类的私有实例变量存取，结构体无法实例化为类的私有变量，所以将结构体NoffHeader重写，变为类NoffHeader，并一起更改结构体NoffSegment为类类型。
两者的功能在保证原结构体功能的基础上，为了调试和输出方便，添加输出函数Print（）。
具体定义如下：
#defineNOFFMAGIC0xbadfad
classNoffSegment
{
intvirtualAddr;
intsize;
voidPrint（）;
NoffSegment（）;
~NoffSegment（）;
classNoffHeader
intnoffMagic;
NoffSegmentcode;
NoffSegmentinitData;
NoffSegmentuninitData;
NoffHeader（）;
~NoffHeader（）;
AddrSpace
扩展原有的AddrSpace的属性：
添加属性——当下正在执行的用户文件的指针OpenFile*executable，因为我们无法一次读取所有需要的数据，更多情况下，我们边用边读，所以设置一个变量executable来保存指向用户文件的指针。
添加属性——当下正在执行的用户文件的NoffHeader，因为NoffHeader在初始化时，将会加载到mainMemory的0号地址中，一旦程序运行之后，原0号地址中的内容必定会被用户程序重写，但因为我采用的是bitmap做物理地址与虚地址的变换，其中的变换细节要求需要在进行物理和虚拟页变换时知道code的virtualAddr，initData的virtualAddr等的数据，（详细细节见AddrSpace:
:
Translate介绍）所以为了访问方便，设置其为用户进程的一个属性。
添加virtualMem数组和p_vm指针，用来实现FIFO算法。
virtualMem存储的是按进入内存的先后顺序排列的当前占用内存空间的虚页，p_vm指针指向数组中当前将要被换出的那个位置。
（详细说明见AddrSpace:
FIFO介绍）
private:
TranslationEntry*pageTable;
//Assumelinearpagetabletranslationfornow!
unsignedintnumPages;
//Numberofpagesinthevirtualaddressspace
OpenFile*executable;
//Apointertotheexecutingfile
NoffHeadernoffH;
//TheheaderoftheOpenFileexecutable
intvirtualMem[MemPages];
//Storevirtualpagesofthepagesinthemainmemory
intp_vm;
//Thepointertonextmemorytoswapout
添加AddrSpace实现用户空间虚拟内存的函数：
voidInitPageTable（）;
//用于初始化AddrSpace的pageTable的基本信息
voidInitInFileAddr（）;
//初始化pageTable中各个entry的inFileAddr、type
voidFIFO（intnewPage）;
//调用translate和swap实现先进先出的虚拟内存置换算法
voidTranslate（intaddr,unsignedint*vpn,unsignedint*offset）;
//将addr对应的虚拟页页号vpn和页内偏移量offset计算出来
voidSwap（intoldPage,intnewPage）;
//调用WriteBack和ReadIn
//实现将mainMemory中的oldPage替换成newPage
voidWriteBack（intoldPage）;
//将oldPage这一个页写回
//code和initData将会被写回文件；
//uninitData和userStack内容将会被写回交换区SWAP
voidReadIn（intnewPage）;
//将newPage写入到mainMemory
//code和initData将通过inFileAddr从文件中读出；
//uninitData和userStack或从交换区SWAP读出，或只是将mainMemory中分配到的地址段清零
关键源代码及注释
首先，简要说明一下现在Nachos系统的虚拟存储功能的能力。
为了简便起见，规定系统默认给每个用户进程分配MemPages大小的主存，当用户的进程装入内存，进行数据初始化的时候，按照用户程序在pageTable中的存储顺序从前向后装入MemPages大小的页到内存中去。
在用户进程在运行的过程之中，如果访问内存无法找到想要的virtualAddr，那么采用FIFO策略进行不同页之间的切换。
那么接下来，按照一个用户进程在Nachos下执行的过程顺序对本次实验的程序进行解剖说明。
用户进程（pageTable）的初始化
用户程序从progtest.cc的StartProcess接口开始装载，通过传递OpenFile*executable到AddrSpacespace生成新的AddrSpace实例。
此时space进行初始化：
AddrSpace:
AddrSpace（OpenFile*exe）
unsignedintsize;
executable=exe;
[1]
executable->
ReadAt（（char*）&
noffH,sizeof（noffH）,0）;
if（（noffH.noffMagic!
=NOFFMAGIC）&
&
（WordToHost（noffH.noffMagic）==NOFFMAGIC））
SwapHeader（&
noffH）;
ASSERT（noffH.noffMagic==NOFFMAGIC）;
numPages=divRoundUp（noffH.code.size,PageSize）+divRoundUp（noffH.initData.size,PageSize）
+divRoundUp（noffH.uninitData.size,PageSize）+StackPages;
size=（MemPages+StackPages）*PageSize;
//加粗语句决定了在给定虚拟地址addr,换算虚页vpn和页内偏移量offset时不再是
//vpn=（unsigned）virtAddr/PageSize;
//offset=（unsigned）virtAddr%PageSize;
//具体转换令写函数AddrSpace:
Translate实现
printf（"
numPagesis%d\n"
numPages）;
numPages=%d+%d+%d+%d\n"
divRoundUp（noffH.code.size,PageSize）,divRoundUp（noffH.initData.size,PageSize）,
divRoundUp（noffH.uninitData.size,PageSize）,StackPages）;
DEBUG（'
a'
"
Initializingaddressspace,numpages%d,size%d\n"
numPages,size）;
//zeroouttheentireaddressspace,tozerotheunitializeddatasegment
//andthestacksegment
bzero（machine->
mainMemory,size）;
//first,setupthetranslation
InitPageTable（）;
[2]
//then,copyinthecodeanddatasegmentsintomemory
InitInFileAddr（）;
[3]
Print（）;
}
[1]在原Nachos的progtest.cc中可以看到，当使用executable完成AddrSpacespace的初始化工作后，采用了直接“deleteexecutable”的语句，将文件关闭，但是在进行WriteBack和ReadIn函数调用的过程中，仍然需要诸如“executable->
WriteAt（&
（machine->
mainMemory[pageTable[oldPage].physicalPage*PageSize]）,PageSize,pageTable[oldPage].inFileAddr）;
”的语句，所以注释掉progtest.cc中的delete语句，将exectuable的指针传递给AddrSpace，令AddrSpace的属性保存控制executable。
[2]调用新添加到AddrSpace类中的函数InitPageTable，这个函数主要作用是完成初始化原pageTable的基本信息，这些信息都是不需要根据此Entry的type或者是NoffHeader就可以直接确定的信息：
virtualPage，use，dirty，readOnly，valid，physicalPage等。
void
InitPageTable（）
p_vm=0;
pageTable=newTranslationEntry[numPages];
for（inti=0;
i<
numPages;
i++）
{
pageTable[i].virtualPage=i;
//fornow,virtualpage#=physpage#
pageTable[i].use=FALSE;
pageTable[i].dirty=FALSE;
pageTable[i].readOnly=FALSE;
//ifthecodesegmentwasentirelyon
//aseparatepage,wecouldsetits
//pagestoberead-only
pageTable[i].inFileAddr=-1;
//初始化inFileAddr为-1，具体值会在InitFileAddr中计算出。
if（i>
=numPages-StackPages）
pageTable[i].type=vmuserStack;
//wecanbesurethatthestack
//mustbelocatedinthelastStackPagespages,
//thusinitiatethetypeofstackpages.
//最后，将前MemPages个虚页的内容分配mainMemory的物理页，准备将其写入到mainMemory中去，写入过程有InitFileAddr完成。
if（i<
MemPages）
virtualMem[p_vm]=pageTable[i].virtualPage;
//==i
p_vm=（p_vm+1）%MemPages;
pageTable[i].physicalPage=Mmbmp->
Find（）;
pageTable[i].valid=TRUE;
}
else{
pageTable[i].physicalPage=-1;
pageTable[i].valid=FALSE;
[3]新添加到AddrSpace中的函数，作用是初始化各个page的inFileAddr、type，并将已经分配了物理页的page写入到mainMemory，通过调用[2][3]，完成整个pageTable的初始化工作。
InitInFileAddr（）
if（noffH.code.size>
0）
unsignedintnumP=divRoundUp（noffH.code.size,PageSize）;
numP;
i++）
pageTable[i].inFileAddr=noffH.code.inFileAddr+i*PageSize;
pageTable[i].type=vmcode;
if（pageTable[i].valid）
ReadAt（&
mainMemory[pageTable[i].physicalPage*PageSize]）,PageSize,pageTable[i].inFileAddr）;
//Ifthepagehasbeenallocatedwithphysicalpage,readintothemainMemory
if（noffH.initData.size>
0）
unsignedintnumP,firstP;
numP=divRoundUp（noffH.initData.size,PageSize）;
firstP=divRoundUp（noffH.initData.virtualAddr,PageSize）;
for（inti=firstP;
numP+firstP;
pageTable[i].inFileAddr=noffH.initData.inFileAddr+（i-firstP）*PageSize;
pageTable[i].type=vminitData;
ReadAt（&
if（noffH.uninitData.size>
numP=divRoundUp（noffH.uninitData.size,PageSize）;
firstP=divRoundUp（noffH.uninitData.virtualAddr,PageSize）;
pageTable[i].type=vmuninitData;
{/*brzero（）;
*/}
需要说明的是，在调用完InitInFileAddr函数之后，各中类型的pageTable的entry的type和inFileAddr对应关系如下：
typeinFileAddr
vmcodenoffH.code.inFileAddr+i*PageSize
vminitDatanoffH.initData.inFileAddr+（i-firstP）*PageSize
vmuninitData-1
vmuserStack-1
请注意，最后两项vmuninitData和vmuserStack中inFileAddr的值初始化时都被定义为-1，但它们都有可能在程序执行的过程中被赋予大于0的值，当inFileAddr值大于0时，表明此页已经被修改过，修改过的页被写在SWAP交换区文件中的inFileAddr位置处。
缺页异常处理
用户进程在初始化完成后，正式开始执行，在执行的过程中必然会出现mipscpu想要访问某个初始化时并不在mainMemory中的virtualAddr，此时，发生缺页异常后，会进入userprog/exception.cc中的ExceptionHandler函数，并且MIPSCPU想访问的那个虚拟地址在寄存器BadVAddrReg中。
此时，只需使这个虚页进入主存，然后令MIPSCPU重新执行原来那条指令。
在处理缺页异常之
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