【MIT6.S081】Lab4 trap alarm

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Alarm综合了该lab中前几个练习的知识点：系统调用、中断、寄存器等，我们需要对trap机制有比较好的认识才能理解。Alarm的任务是需要我们完成一个定时器的实现：sigalarm(interval, handler)，当调用sigalarm(n, fn)时，内核会每n个时间间隔（tick）执行fn函数。

该实验的代码实现见：仓库commit

如何理解Alarm

“内核会每n个时间间隔执行fn函数”，如何理解这“每n个时间间隔”呢？在计算机中有一个“时钟周期”的概念，而我们这里所说的时间间隔就是xv6中设置的每次发生时钟中断所间隔的始终周期。在xv6内核初始化时会执行timerinit()函数，其中有：

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// ask the CLINT for a timer interrupt.
int interval = 1000000; // cycles; about 1/10th second in qemu.
*(uint64*)CLINT_MTIMECMP(id) = *(uint64*)CLINT_MTIME + interval;

这里就是设置了xv6会每经过interval个时钟周期（在qemu中大概为0.1秒）进行一次时钟中断，这个中断是硬件自动执行的（在没看源码之前，一直没搞懂xv6是什么时候、怎么进行的时钟中断）。下文将以时钟中断的间隔tick作为基本单位。

所以简单来说，Alarm需要我们在内核中进行计数，每当经过n个tick的时候，需要去执行fn函数。

test0~3所做的事

  • test0：用于测试我们的sigalarm是否起作用了；
  • test1：用于测试内核是否多次调用处理函数，需要确保中断发生时跳转的地址为处理函数所在的地址，还有中断时需要保存好之前寄存器中的值；
  • test2：用于测试内核不允许重入sysalarm系统调用，即若某个进程正在执行处理函数，那么内核就不应该再次调用它；
  • test3：用于测试sys_sigreturn系统调用能否正确返回寄存器a0的值。

实现

注册系统调用

首先的注册系统调用的步骤这里就不展开了，具体可参考之前的lab。

struc proc结构体

为了完成定时执行某个函数，我们需要在struct proc结构体中加入一些成员：

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struct proc {
  ...
  int is_handling;                   // 用于判断当前进程是否正在执行处理函数
  int tick_interval;                 // 定时器间隔，由系统sigalarm的第一个参数传入
  int tick_counter;                  // 定时器计数器，每次tick进行+1
  uint64 tick_handler;               // 间隔到了后执行的处理函数
  struct trapframe *saved_trapframe; // 保存寄存器
}

值的注意的是处理函数的类型我们设置为了uint64，为什么不是一个函数指针呢？其实都差不多，在之后设置跳转处理函数的时候，就是通过地址来跳转，而地址在xv6中就是用的uint64来表示。故这里的设置即是处理函数所在的起始地址。

实现sys_sigalarm

在sysproc.c中实现sys_sigalarm()函数：

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uint64 sys_sigalarm(void) {
  struct proc *p = myproc();
  argint(0, &(p->tick_interval));
  argaddr(1, &(p->tick_handler));
  return 0;
}

该函数要做的事情很简单，只需要接收从用户态传来的两个参数，并将其赋值给当前进程的tick_interval和tick_handler。

进程初始化与结束销毁

接着需要在进程创建和销毁时对这些变量进行相应的初始化和清零：

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static struct proc*
allocproc(void)
{
  ...
  p->tick_interval = 0;
  p->tick_counter = 0;
  p->tick_handler = 0;
  p->is_handling = 0;
  ...
  // Allocate a saved_trapframe page.
  if((p->saved_trapframe = (struct trapframe *)kalloc()) == 0){
    freeproc(p);
    release(&p->lock);
    return 0;
  }
  ...
}

static void
freeproc(struct proc *p)
{
  ...
  if(p->saved_trapframe)
    kfree((void*)p->saved_trapframe);
  p->saved_trapframe = 0;
  ...
  p->tick_counter = 0;
  p->tick_interval = 0;
  p->tick_handler = 0;
  p->is_handling = 0;
}

补全usertrap

接下来就是需要实现在usertrap中处理时钟中断，在实验指导书中提示我们在if(which_dev == 2) ...中处理时钟中断。这里我的处理逻辑为，当时钟中断发生时：

  1. 当前进程的tick计数器++
  2. 判断进程设置的定时器间隔是否不为0、当前计数器是否已经经过了interval个间隔、且当前进程未执行处理函数，如果其中一项不满足，则不进行第三步
  3. 将当前进程的trapframe的内容（即寄存器的值）保存到saved_trapframe（用于恢复现场），将SEPC寄存器的值设置为处理函数的地址，这样中断结束返回时就会去执行处理函数了，最后设置当前进程“正在执行处理函数”

代码如下：

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void
usertrap(void)
{
  ...
  // give up the CPU if this is a timer interrupt.
  if (which_dev == 2) {
    p->tick_counter++;
    if (p->tick_interval && p->tick_counter % p->tick_interval == 0 && p->is_handling == 0) {
      memmove(p->saved_trapframe, p->trapframe, PGSIZE);
      p->trapframe->epc = p->tick_handler;
      p->is_handling = 1;
    }
    yield();
  }
  ...

在第二步中不知道是xv6的bug还是我有地方没理解好，如果不先检查tick_interval != 0，则可能在执行p->tick_counter % p->tick_interval会有问题，因为取模运算符%在分母为0时是未定义的，但这么运行时xv6并没有任何错误。

返回，恢复现场

在处理函数执行的最后，将会执行sigreturn系统调用进行返回并恢复现场，这时我们就可以将之前存放在saved_trapframe中的值拷贝回trapframe中，并设置当前进程“未执行处理函数”。实验指导书中还提示我们最终返回的结果为a0寄存器中的值。

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uint64 sys_sigreturn(void) {
  struct proc *p = myproc();
  memmove(p->trapframe, p->saved_trapframe, PGSIZE); 
  p->is_handling = 0;
  return p->trapframe->a0; // return this for alarm test3
}