nachosLab6实习报告DOC.docx
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nachosLab6实习报告DOC
系统调用实习报告
目录
内容一：
总体概述3
内容二：
任务完成情况3
任务完成列表（Y/N）3
具体Exercise的完成情况3
内容三：
遇到的困难以及解决方法16
内容四：
收获及感想16
内容五：
对课程的意见和建议16
内容六：
参考文献16
内容一：
总体概述
本次lab的主要内容是实现nachos定义的系统调用。
理论方面，我们需要了解nachos系统调用的实现原理，实践方面，我们需要实现文进系统相关系统调用和用户程序相关系统调用，并且编写用户程序验证相关系统调用的正确性。
内容二：
任务完成情况
任务完成列表（Y/N）
Exercise1
Exercise2
Exercise3
Exercise4
Exercise5
Y
Y
Y
Y
Y
具体Exercise的完成情况
一、理解Nachos系统调用
Exercise1源代码阅读
阅读与系统调用相关的源代码，理解系统调用的实现原理。
code/userprog/syscall.h
code/userprog/exception.cc
code/test/start.s
userprog/syscall.h定义nachos的系统调用,主要包括系统调用号和系统调用函数，内核通过识别用户程序传递的系统调用号确定系统调用类型
已经实现的系统调用包括
voidHalt（）;
关闭nachos虚拟机，打印性能统计信息
需要实现的系统调用包括：
3种系统调用涉及地址空间：
1）、voidExit（intstatus）;
用户程序完成，status=0表示正常退出2）、SpaceIdExec（char*name）;加载并执行名字是name的Nachos可执行文件，返回其地址空间的标志符
SpaceId实际是整型，标识地址空间
3）、intJoin（SpaceIdid）;
等待标志符为id的用户线程运行完毕，返回其退出状态
5种系统调用涉及文件系统：
1）、voidCreate（char*name）;创建文件名name的Nachos文件
2）、OpenFileIdOpen（char*name）;打开文件名name的Nachos文件，返回打开文件标志符
OpenFileId实际是整形，标识打开文件
3）、voidWrite（char*buffer,intsize,OpenFileIdid）;向标志符是id的文件写入buffer中长度为size字节的数据
4）、intRead（char*buffer,intsize,OpenFileIdid）;从标志符是id的文件读取长度为size字节的数据存入buffer，返回实际读取的字节数
5）、voidClose（OpenFileIdid）;关闭标志符是id的文件
2种系统调用涉及用户级线程，用于支持多线程用户程序：
1）、voidFork（void（*func）（））;创建和当前线程拥有相同地址空间的线程，运行func指针指向的函数
2）、voidYield（）;
当前线程让出CPU
code/userprog/exception.cc定义进行异常处理的ExceptionHandler函数，主要流程是根据异常信息处理不同异常，包括系统调用
目前支持的异常:
NoException,//正常
SyscallException,//系统调用
PageFaultException,//缺页（页表/快表）
ReadOnlyException,//访问只读页面
BusErrorException,//总线错误
AddressErrorException,//访问地址对齐错误/超出范围
OverflowException,//算数溢出
IllegalInstrException,//非法指令
NumExceptionTypes
处理系统调用时，需要从2号寄存器获得系统调用号确定系统调用类型
code/test/start.s是辅助用户程序运行的汇编代码，主要包括初始化用户程序和系统调用相关操作
（1）初始化用户程序：
通过调用main函数运行用户程序
.globl__start
.ent__start
__start:
jalmain//跳转到main函数执行用户程序
move$4,$0//main函数返回
//r4寄存器存入0，作为下面调用Exit参数
jalExit
.end__start
（2）系统调用：
用户程序执行系统调用时，将系统调用号存入r2寄存器，然后跳转到exception.cc执行，例如系统调用Halt：
Halt:
addiu$2,$0,SC_Halt//将系统调用号存入r2寄存器
syscall
j$31
.endHalt
系统调用相关寄存器：
r2->系统调用号，系统调用返回值
r4->系统调用参数1
r5->系统调用参数2
r6->系统调用参数3
r7->系统调用参数4
系统调用主要流程：
machine的Run函数运行用户程序，实现在machine/mipssim.cc，基本流程是通过OneInstruction函数完成指令译码和执行，通过interrupt的OneTick函数使得时钟前进
（1）OneInstruction函数判断当前指令是系统调用，转入start.s
（2）通过start.s确定系统调用入口，通过寄存器r2传递系统调用号，转入exception.cc（此时系统调用参数位于相应寄存器）
（3）exception.cc通过系统调用号识别系统调用，进行相关处理，如果系统调用存在返回值，那么通过寄存器r2传递，流程结束时，需要更新PC
（4）系统调用结束，程序继续执行
添加系统调用：
（1）syscall.h定义系统调用接口、系统调用号
（2）code/test/start.s添加链接代码
（3）exception.cc添加系统调用处理过程
二、文件系统相关的系统调用
Exercise2系统调用实现
类比Halt的实现，完成与文件系统相关的系统调用：
Create,Open，Close，Write，Read。
Syscall.h文件中有这些系统调用基本说明。
基本思路：
修改userprog/exception.cc，按照userprog/syscall.h的定义实现系统调用
系统调用Create定义
voidCreate（char*name）;
系统调用Create基本流程
（1）通过寄存器r4获得文件名指针
（2）使用文件名指针通过已经实现ReadMem函数获得文件名
（3）通过已经实现的Create函数创建文件
（4）通过函数PC_advance更新PC
系统调用Open定义
OpenFileIdOpen（char*name）;
系统调用Open基本流程
（1）通过寄存器r4获得文件名指针
（2）使用文件名指针通过已经实现ReadMem函数获得文件名
（3）通过已经实现的Open函数打开文件
（4）返回值（打开文件数据结构）写入寄存器r2
（5）通过函数PC_advance更新PC
系统调用Close定义
voidClose（OpenFileIdid）;
系统调用Close基本流程
（1）通过寄存器r4获得打开文件数据结构
（2）通过打开文件数据结构析构函数关闭文件
（3）通过函数PC_advance更新PC
系统调用Read定义
intRead（char*buffer,intsize,OpenFileIdid）;
系统调用Read基本流程
（1）通过寄存器r4获得缓冲区指针，通过寄存器r5获得数据长度，通过寄存器r6获得打开文件数据结构
（2）通过已经实现的Read函数读取文件相关内容，记录实际读出字节数
（3）通过已经实现的WriteMem函数将文件内容写入缓冲区
（4）返回值（实际读出字节数）写入寄存器r2
（5）通过函数PC_advance更新PC
系统调用Write定义
voidWrite（char*buffer,intsize,OpenFileIdid）;
系统调用Write基本流程
（1）通过寄存器r4获得缓冲区指针，通过寄存器r5获得数据长度，通过寄存器r6获得打开文件数据结构
（2）通过已经实现的ReadMem函数获得缓冲区数据
（3）通过已经实现的Write函数将缓冲区内容写入文件
（4）通过函数PC_advance更新PC
Exercise3编写用户程序
编写并运行用户程序，调用练习2中所写系统调用，测试其正确性。
用户程序基本思路
创建文件write.txt（系统调用Create）
打开文件read.txt（已经存在，内容hello_world）（系统调用Open）
打开文件write.txt（系统调用Open）
读入文件read.txt内容，记录读入字节数（系统调用Read）
内容写入文件write.txt（系统调用Write）
关闭文件read.txt（系统调用Close）
关闭文件write.txt（系统调用Close）
用户程序的添加
修改test/MakeFile
all:
haltshellmatmultsorttest1
test1.o:
test1.c
$（CC）$（CFLAGS）-ctest1.c
test1:
test1.ostart.o
$（LD）$（LDFLAGS）start.otest1.o-otest1.coff
../bin/coff2nofftest1.cofftest1
用户程序的执行
检查userprog文件夹，出现文件write.txt
可以发现，相关内容顺利写入，符合实际
三、执行用户程序相关的系统调用
Exercise4系统调用实现
实现如下系统调用：
Exec，Fork，Yield，Join，Exit。
Syscall.h文件中有这些系统调用基本说明。
系统调用Exec定义
SpaceIdExec（char*name）;
系统调用Exec基本流程
（1）通过寄存器r4获得文件名指针
（2）建立线程，通过函数exec_func执行用户程序
（3）返回值（线程ID）写入寄存器r2
（4）通过函数PC_advance更新PC
函数exec_func基本流程
（1）使用文件名指针通过已经实现ReadMem函数获得文件名
（2）通过已经实现的Open函数打开文件
（3）通过已经实现的AddrSpace的构造函数初始化地址空间
（4）通过已经实现的InitRegisters函数初始化寄存器
（5）通过已经实现的RestoreState函数装载页表
（6）通过已经实现的Run函数运行用户程序
重要部分可以仿照StartProcess函数实现
系统调用Fork定义
voidFork（void（*func）（））;
系统调用Fork基本流程
（1）通过寄存器r4获得函数位置
（2）复制当前进程地址空间
注意到AddrSpace的构造函数需要打开文件作为输入，所以增加线程属性，记录当前线程对应打开文件的名称，实现Fork函数时，需要逐页复制页表内容
（3）建立线程，执行函数fork_func
（4）通过函数PC_advance更新PC
函数Fork_func基本流程
（1）设置当前线程地址空间
（2）通过已经实现的InitRegisters函数初始化寄存器
（3）通过已经实现的RestoreState函数装载页表
（4）设置当前线程PC
（5）通过已经实现的Run函数运行用户程序
系统调用Yield定义
voidYield（）;
系统调用Yield基本流程
（1）通过函数PC_advance更新PC
（2）通过已经实现的Yield函数实现线程切换
这里需要先更新PC，否则陷入死循环
系统调用Join定义
intJoin（SpaceIdid）;
系统调用Join基本流程
（1）通过寄存器r4获得线程ID
（2）检查全局数组ThreadID，确定特定线程是否处于活跃状态，如果特定线程处于活跃状态，那么进行线程切换
根据前面已经实现的机制，线程构造函数会分配线程ID，线程析构函数会回收线程ID，所以能够通过线程ID确定特定线程是否处于活跃状态
（3）通过函数PC_advance更新PC
系统调用Exit定义
voidExit（intstatus）
系统调用Exit基本流程
（1）通过寄存器r4获得退出状态，输出相关信息
（2）通过已经实现的clear函数释放页表相关空间
（3）通过函数PC_advance更新PC
（4）通过已经实现的Finish函数结束当前线程
Exercise5编写用户程序
编写并运行用户程序，调用练习4中所写系统调用，测试其正确性。
用户程序1基本思路
（1）通过系统调用Exec执行特定文件
（2）通过系统调用Yield进行线程切换
涉及系统调用:
Exec、Yield、Exit
#include"syscall.h"
intmain（）
{
Exec（"halt"）;
Yield（）;
}
用户程序1执行结果
（1）主线程分配空间，开始执行
（2）执行系统调用Exec，建立新线程，准备执行halt
（3）执行系统调用Yield，主线程进行线程切换
（4）新线程分配地址空间，开始执行
（5）新线程执行完成，执行系统调用Exit，释放地址空间，输出相关信息
（6）主线程执行完成，执行系统调用Exit，释放地址空间，输出相关信息
结果如下，符合实际
用户程序2基本思路
（1）通过系统调用Exec执行特定文件
（2）通过系统调用Join等待新线程结束
涉及系统调用:
Exec、Join、Exit
#include"syscall.h"
intmain（）
{
intid=Exec（"halt"）;
Join（id）;
}
用户程序2执行结果
（1）主线程分配空间，开始执行
（2）执行系统调用Exec，建立新线程，准备执行halt
（3）执行系统调用Join，新线程没有结束，主线程进行线程切换
（4）新线程分配地址空间，开始执行
（5）新线程执行完成，执行系统调用Exit，释放地址空间，输出相关信息
（6）主线程执行完成，执行系统调用Exit，释放地址空间，输出相关信息
结果如下，符合实际
用户程序3基本思路
（1）通过系统调用Fork建立新线程
（2）新线程执行相关操作
涉及系统调用:
Fork、Exit
#include"syscall.h"
voidfunc（）
{
Create（"test1.txt"）;
}
intmain（）
{
Create（"test2.txt"）;
Fork（func）;
}
用户程序3执行结果
文件test1.txt,test2.txt顺利创建，符合实际
内容三：
遇到的困难以及解决方法
困难：
Fork系统调用的实现
Fork系统调用需要对页面进行深度复制，可以模仿AddrSpace构造函数的思路，逐字节复制相关页面。
我们可以发现，Fork的效率是比较低的，所以linux引入系统调用vfork和create解决这样的问题。
fork创造的子进程复制了父亲进程的所有资源，包括内存资源和task_struct内容。
vfork创造的子进程不是真正意义上的进程，而是线程，因为父进程和子进程共享内存资源，子进程缺少独立的内存资源，clone创造的子进程可以有选择性的继承父进程的资源。
内容四：
收获及感想
实习课程和理论课程相得益彰。
通过本次实习，我强化了对系统调用相关知识的理解，锻炼了编程能力。
经过本学期的学习，感觉对nachos系统有了初步的了解，对课程有了相当的兴趣，期待在以后的学习中能够更多的进行操作系统的相关实践
内容五：
对课程的意见和建议
我觉得课程形式好，互动强，使我受益匪浅。
我觉得课程形式好，互动强，使我受益匪浅。
助教认真负责，知识充分，为课程付出很多，助教辛苦了:
-D
内容六：
参考文献
[1]操作系统课件运行环境与运行机制
[2]nachos中文教程
[3]
Nachos3.4Lab2文件机制实习报告系统调用
[4]
Nachos系统调用实习报告
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