操作系统课程设计-内存管理.doc

作者：李晓琳 200800300117 刘泽民 200800300153三、实现系统调用与内存管理设计目标：实现fork，exec，exit与join系统调用。实现nachos中用户程序的装入和内存页式转换机制，实现多道程序驻留内存实现带有tlb机制的的内存管理机制。设计背景：在nachos中，thread类是来模拟一个线程的。在thread类中，模拟了一个系统栈，并且在这个栈中保存系统寄存器的值。这里所说的系是指nachos运行的环境，对我们来说，就是所在的linux系统。因为nachos要模拟线程的切换，因此必须要有能保存真实机器的cpu中的寄存器内容的地方。这就是说nachos自己实现了一个线程库。在一个线程刚创建时，其处在just_create状态，并且未分配系统栈。thread类中，还有一个很重要的函数是fork，这个函数接收一个函数指针作为参数。在这个函数中，nachos会初始化这个线程的系统栈空间，并且会把所传入的函数的首址放在栈顶，这样，当这个线程被第一次运行的时候，就会从传入的这个函数处开始运行。在线程还维护了一个addrspace类型的指针。当调用exec时，就会从文件中装载并初始化进程的用户空间。在nachos上，可执行文件是noff格式的。这种格式的文件中，包括一个文本段与三个数据段，并且在文件头中记录了其在虚拟空间的起始位置、在文件中的起始位置，以及大小，这样可以分别来初始化其用户空间的代码段、初始化数据段与未初始化数据段。这时候可以认为这个线程已经变成了一个进程。在nachos中，对机器原模拟是在machine类中。在这个类中，用两个整型数组分别来模拟寄存器与内存。在machine中，有一个run函数，这个是用来模拟机器的运行的。这个函数是一个死循环，在每一次循环的时候，首先从用户空间中取一条指令，然后在一个大的switch语句中解释执行指令。在userpro目录下，有一个system.h的头文件，在这个头文件中，声明了与系统调用有关的函数头。对于test下的测试程序，就可以通过调用这个头文件中声明的函数来实现系统调用。在用户程序被编译完成后，在函数调用的时候，首先会把参数放到r4-r7这几个寄存器中去，然后会把相应的系统调用编译成下而的指令：addiu $2,$0,sc_haltsyscallj$31.end halt即首先是把系统调用的类型放入r2，然后再执行系统调用指令。在nachos内部，是用raiseexception来模拟系统调用的，这个函数会调用exceptionhandle，依靠分支来处理各种系统调用。设计分析： 制约nachos实现多用户程序的根本原因在于nachos在建立用户程序的时候，令虚拟地址和物理地址一一映射。每当一个新的用户程序建立的时 候，虚拟地址和物理地址都是从0开始分配，这样新的用户程序将会冲掉原来在物理0开始的旧用户程序，发生错误。克服此种缺陷的方法之一是使用位示图分配物 理地址。在做虚存和物理地址的映射时，使用bitmap的find函数分配虚存对应的物理地址，但是如此使用bitmap之后，当处理虚地址到内存的映射 的时候，就又不得不改用一个一个segment地读取，那么如果采用code segment 和 data segment连续地在物理地址中存放，那么在读取code和data的时候必须首先判断是否是从一个segment 0 端开始，如果是，万事大吉，如果不是，那么以后每次都要分两次读一个segment，控制逻辑十分复杂，找data的初始位置的时候也很混乱。所以采取如 下方案：保留一部分内存碎片，code和data 存放的时候都始终从一个segment的0开始，如果最后一部分不满一个segment，算为一个segment，剩余部分为碎片。实现nachos系统调用fork，exec，exit与join实现nachos的系统调用的时候，程序的执行采用的是异常中断的方法，接住异常的类在userprog/exception.cc，必须在此类中添加处理fork，exec，exit与join的方法。关键代码及注释：用户程序入口,用户空间：voidstartprocess(_int fn)char *filename = (char*)fn; openfile *executable = filesystem-open(filename); addrspace *space; if (executable = null) printf(unable to open file %sn, filename); return; space = new addrspace(executable,filename); currentthread-space = space; delete executable;/ close file ptentry *newentry = new ptentry(); newentry-pid = interrupt-getnewspaceid(); newentry-name = start; newentry-ppid = -1; newentry-starttime = stats-totalticks; ptable-sortedinsert(void *)newentry,newentry-pid); space-print(); space-initregisters();/ 设置寄存器内容 space-restorestate();/ load page table register machine-run();/ 运行用户程序 assert(false);/ machine-run never returns;/ the address space exits/ by doing the syscall exitvoid start(char *filename)thread *t1 = new thread(firstthread);t1-fork(startprocess,(_int)filename);addrspace:addrspace(openfile *executable,char* fn) noffheader noffh; unsigned int i, size; noffname = new char128; replacepos=0; strcpy(noffname,fn); executable-readat(char *)&noffh, sizeof(noffh), 0);/读取文件头信息。 if (noffh.noffmagic != noffmagic) &(wordtohost(noffh.noffmagic) = noffmagic) swapheader(&noffh); assert(noffh.noffmagic = noffmagic); /计算noff文件总大小. size = noffh.code.size + noffh.initdata.size + noffh.uninitdata.size+ userstacksize;/ we need to increase the size/ to leave room for the stack numpages = divroundup(size, pagesize);/所占页数 size = numpages * pagesize;/所占内存总大小，含内碎片。 /assert(numpages numclear(),numpages); int emptynum = bitmap-numclear(); if(emptynum numpages) /printf(内存足够，不用虚拟内存n);/全部装入。 debug(a, initializing address space, num pages %d, size %dn,numpages, size);/新建一个页表。pagetable = new translationentrynumpages;/初始化页表。for (i = 0; i find();assert(pagetablei.physicalpage = 0);pagetablei.valid = true;pagetablei.use = false;pagetablei.dirty = false;pagetablei.readonly = false; / if the code segment was entirely on a separate page, we could set its pages to be read-onlybzero(&machine-mainmemorypagetable0.physicalpage*pagesize, size);if (noffh.code.size 0) /装载代码段debug(a, initializing code segment, at 0x%x, size %dn, noffh.code.virtualaddr, noffh.code.size);executable-readat(&(machine-mainmemorynoffh.code.virtualaddr+pagetable0.physicalpage*pagesize),noffh.code.size, noffh.code.infileaddr);if (noffh.initdata.size 0) /装载数据段。debug(a, initializing data segment, at 0x%x, size %dn, noffh.initdata.virtualaddr, noffh.initdata.size);executable-readat(&(machine-mainmemorynoffh.initdata.virtualaddr+pagetable0.physicalpage*pagesize),noffh.initdata.size, noffh.initdata.infileaddr); else printf(内存不足，虚拟内存n);系统调用：shell.ccintmain() spaceid newproc,id,id2; openfileid input = consoleinput; /stdin openfileid output = consoleoutput; /stdout openfileid redirectfile; char ch, buffer20; char buffercmd120,buffercmd220,buffercmd20,bufferarg20; int i,j; int count=0,d=0; printstr(*nshell：n1。支持用户程序并发执行，如 prt;fib 24。n2。支持重定向 如sortmyfilenamen*); while(1) printstr(nnachos); i = 0; do read(&(bufferi), 1, input); while( bufferi+ != n); buffer-i = 0; if(i0)/解析命令串。if(strcmp(buffer,halt)printstr( user want to haltn);halt();continue;else if(strcmp(buffer,ps)ps();continue;else if(strcmp(buffer,ls)/ls();continue;else if(find(buffer,;)=0)/有 ;号 要并发split(buffer,;,buffercmd1,buffercmd2);id=fork();if(id=0)/child1yield();yield();if(find(buffercmd1, )=0)split(buffercmd1, ,buffercmd,bufferarg);exec(buffercmd,bufferarg);elseexec(buffercmd1,0);else/parentid2 = fork();if(id2=0)/child2yield();if(find(buffercmd2, )=0)split(buffercmd2, ,buffercmd,bufferarg);exec(buffercmd,bufferarg);elseexec(buffercmd2,0);else/parent-againjoin(id);join(id2);else if(find(buffer,)=0)/有 号 要重定向split(buffer,buffercmd1,buffercmd2);/buffercmd1 = cmd , buffercmd2=filenameredirectfile = open(buffercmd2);id=fork();if(id=0)/child1yield();setredirect(redirectfile);if(find(buffercmd1, )=0)split(buffercmd1, ,buffercmd,bufferarg);exec(buffercmd,bufferarg);elseexec(buffercmd1,0);elsejoin(id);/close(redirectfile);else/无 ; 单独一个id=fork();if(id=0)/child1if(find(buffer, )=0)split(buffer, ,buffercmd,bufferarg);printstr(buffercmd);printstr(bufferarg);exec(buffercmd,bufferarg);elseexec(buffer,0);elsejoin(id); exit(0);exception.ccvoidexceptionhandler(exceptiontype which)int type=0;int count=0;char *paramstr;char *argv;spaceid id;int memvlaue=0;int param; switch(which)case syscallexception:type = machine-readregister(2);switch(type)case sc_halt:interrupt-halt();break;case sc_exit:interrupt-exit(machine-readregister(4);break;case sc_execv:paramstr = new char128;/预先申请128个char大小的缓冲区。domachine-readmem(machine-readregister(4)+count,1,&memvlaue);paramstrcount = *(char*)&memvlaue;count+;while(*(char*)&memvlaue!=0 & countexecv(paramstr);machine-writeregister(2,id); /r2为返回值。machine-advancepc();delete paramstr;break;case sc_exec:paramstr = new char128;/预先申请128个char大小的缓冲区。domachine-readmem(machine-readregister(4)+count,1,&memvlaue);paramstrcount = *(char*)&memvlaue;count+;while(*(char*)&memvlaue!=0 & countreadmem(machine-readregister(5)+count,1,&memvlaue);argvcount = *(char*)&memvlaue;count+;while(*(char*)&memvlaue!=0 & countexec(paramstr,argv);break;case sc_write:paramstr = new char100;/预先申请100个char大小的缓冲区。while(count readregister(5)machine-readmem(machine-readregister(4)+count,1,&memvlaue);if(currentthread-isredirected)writefile(currentthread-redirectfileid,(char*)&memvlaue, sizeof(char);elsewritefile(machine-readregister(6),(char*)&memvlaue, sizeof(char);/ 若 r6=1 指标准输出(console)。count+;machine-advancepc();delete paramstr; break;case sc_read:/* * 从 r6 指示的文件（或键盘）中读取 r5 个char ，放在 r4 指示的内存中。 */count = machine-readregister(5);while(count0)readpartial(machine-readregister(6),(char*)&memvlaue,1);/ 若 r6=0 指keyboard。machine-writemem(machine-readregister(4)+machine-readregister(5)-count,1,memvlaue);count-;machine-advancepc();break;case sc_yield:currentthread-yield();machine-advancepc();break;case sc_fork:id = interrupt-fork();machine-writeregister(2,id); /r2为返回值。machine-advancepc();break;case sc_join:param = machine-readregister(4);interrupt-join(param);machine-advancepc();break;case sc_printkernelthreadname:printf(%s,currentthread-getname();machine-advancepc();break;case sc_ps:interrupt-ps();machine-advancepc();break;case sc_ls:/not implementprintf(* 显示文件列表 *n);printf(nnametsizetsectorstindexcountn);printf(myfilet345t12t4n);printf(myfilet345t12t4n);printf(myfilet345t12t4n);/interrupt-ls();machine-advancepc();break;case sc_setredirect:currentthread-setredirectfileid(machine-readregister(4);machine-advancepc();break;case sc_create:paramstr = new char128;/预先申请128个char大小的缓冲区。domachine-readmem(machine-readregister(4)+count,1,&memvlaue);paramstrcount = *(char*)&memvlaue;count+;while(*(char*)&memvlaue!=0 & countopen(paramstr);machine-advancepc();break;case sc_open:interrupt-open();break;case sc_close:printf(close-n);close(machine-readregister(4);break;default:printf(unknown syscall type=%dn,type);assert(false);break;break;case pagefaultexception:/printf(缺页中断处理n);interrupt-pagefaulthandler(machine-readregister(badvaddrreg);/printf(缺页中断处理完毕。n);break;default:printf(unhandler exception type=%dn,which);printf(n*nnoexception = %d nsyscallexception = %dnpagefaultexception = %dnreadonlyexception = %d nbuserrorexception = %dnaddresserrorexception = %dnoverflowexception = %dnillegalinstrexception = %dn,noexception,syscallexception,pagefaultexception, readonlyexception,buserrorexception, addresserrorexception,overflowexception, illegalinstrexception);assert(false);break; interrupt.cc/子程序退出，返回调用voidinterrupt:exit(int statusparam)currentthread-setexitcode(statusparam);currentthread-finish();/系统调用exec从用户空间取文件名，生成线程。void interrupt:exec(char *filename,char *argv)/printf(+exec(%s,%s)-n,filename,argv);printf(要执行的用户程序 : %s_%sn,filename,argv);char *filename = new char40;sprintf(filename,./test/%s.noff,filename);/释放原用户空间。deallocmem(currentthread);openfile *executable = filesystem-open(filename);if(executable = null) printf(打开文件失败(%s)n, filename);return;addrspace *space;space = new addrspace(executable,filename);currentthread-space = space;delete executable;/printf(-exec print()n);space-print();space-initregisters();/ set the initial register valuesspace-restorestate();/ load page table registermachine-writeregister(4,1);printf(*n);printf(%d,atoi(argv);printf(n*n);machine-writeregister(5,atoi(argv);machine-run();/跳转去执行用户进程assert(false);/ machine-run never returns;/系统调用exec从用户空间取文件名，生成线程。内存管理spaceid interrupt:fork()/printf(forked-n);int i=0,pid;int childnumpage = currentthread-space-getnumpage();/创建一个页表。translationentry *childpagetable = new translationentrychildnumpage;translationentry *parentpagetable = currentthread-space-getpagetable();/复制父进程页表到新页表。for(i=0;ifind();childpagetablei.valid = parentpagetablei.valid;childpagetablei.use = parentpagetablei.use;childpagetablei.dirty = parentpagetablei.dirty;childpagetablei.readonly = parentpagetablei.readonly;if(2*childnumpage numphyspages)printf(内存过少于正常执行fork所需内存。n);halt();/复制内存。for(i=0;imainmemoryi+childpagetable0.physicalpage*pagesize = machine-mainmemoryi+parentpagetable0.physicalpage*pagesize;addrspace *forkedspace = new addrspace(childpagetable,childnumpage);thread *forkedthread = new thread(forked_thread);forkedthread-space = forkedspace;forkedthread-saveuserstate();pid = getnewspaceid();forkedthread-setpid(pid);forkedthread-fork(forked,0);ptentry *newentry = new ptentry();newentry-pid = pid;newentry-name = forked;newentry-ppid = currentthread-getpid();newentry-starttime = stats-totalticks;ptable-sortedinsert(void *)newentry,newentry-pid);pcrtentry *pcrentry = new pcrtentry();pcrentry-pid = pid;pcrentry-ppid = currentthread-getpid();pcrentry-isjoined = false;pcrentry-join_sem = 0;pcrentry-exitcode = 9999;pcrtable-sortedinsert(void *)pcrentry,pcrentry-pid);return pid;/系统调用join等待id线程完成。void interrupt:join(spaceid id)pcrtentry *pcrentry = (pcrtentry*)pcrtable-search(id);if(pcrentry=null)return;ptentry *pentry = (ptentry*)ptable-search(id);if(pentry=null)return;pcrentry-isjoined = true;pcrentry-join_sem = new semaphore(join_sem,0);pcrentry-join_sem-p();/将父进程挂起执行子进程/子进程执行结束，唤醒父进程pcrentry = (pcrtentry*)pcrtable-searchan