实验：mmap

mmap 和 munmap 系统调用允许 UNIX 程序对其地址空间进行详细控制。它们可用于在进程之间共享内存、将文件映射到进程地址空间，以及作为用户级页面错误方案的一部分，如讲座中讨论的垃圾收集算法。在这个实验中，你将向 xv6 添加 mmap 和 munmap，重点关注内存映射文件。

获取实验的 xv6 源代码并检出 mmap 分支：

  $ git fetch
  $ git checkout mmap
  $ make clean

手册页（运行 man 2 mmap）显示了 mmap 的这个声明：

void *mmap(void *addr, size_t len, int prot, int flags,
           int fd, off_t offset);

mmap 可以以多种方式调用，但这个实验只需要与内存映射文件相关的功能子集。你可以假设 addr 将始终为零，这意味着内核应决定映射文件的虚拟地址。 mmap 返回该地址，如果失败则返回 0xffffffffffffffff。 len 是要映射的字节数；它可能与文件的长度不同。 prot 指示内存是否应映射为可读、可写和/或可执行；你可以假设 prot 是 PROT_READ 或 PROT_WRITE 或两者兼有。 flags 将是 MAP_SHARED，意味着对映射内存的修改应写回文件，或 MAP_PRIVATE，意味着它们不应写回。你不必实现 flags 中的任何其他位。 fd 是要映射的文件的打开文件描述符。你可以假设 offset 为零（它是文件中开始映射的点）。

你的实现应该在页面错误的响应中懒惰地填充页表。也就是说，mmap 本身不应分配物理内存或读取文件。相反，在（或由）usertrap 中的页面错误处理代码中执行此操作，如写时复制实验中所示。懒惰的原因是确保 mmap 大文件时速度快，并且 mmap 比物理内存大的文件成为可能。

如果映射相同 MAP_SHARED 文件的进程不共享物理页面，这是可以的。

手册页（运行 man 2 munmap）显示了 munmap 的这个声明：

int munmap(void *addr, size_t len);

munmap 应该移除指定地址范围内的 mmap 映射（如果有的话）。如果进程已修改内存并且将其映射为 MAP_SHARED，则应首先将修改写入文件。munmap 调用可能只覆盖 mmap 区域的一部分，但你可以假设它将在开始、结束或整个区域取消映射（但不会在区域中间打孔）。当进程退出时，任何对 MAP_SHARED 区域的修改都应写入相关文件，就像进程已调用 munmap 一样。

你应该实现足够的 mmap 和 munmap 功能以使 mmaptest 测试程序工作。如果 mmaptest 不使用 mmap 功能，则无需实现该功能。你还必须确保 usertests -q 继续工作。

完成后，你应该看到类似于这样的输出：

$ mmaptest
test basic mmap
test basic mmap: OK
test mmap private
test mmap private: OK
test mmap read-only
test mmap read-only: OK
test mmap read/write
test mmap read/write: OK
test mmap dirty
test mmap dirty: OK
test not-mapped unmap
test not-mapped unmap: OK
test lazy access
test lazy access: OK
test mmap two files
test mmap two files: OK
test fork
test fork: OK
test munmap prevents access
usertrap(): unexpected scause 0xd pid=7
            sepc=0x924 stval=0xc0001000
usertrap(): unexpected scause 0xd pid=8
            sepc=0x9ac stval=0xc0000000
test munmap prevents access: OK
test writes to read-only mapped memory
usertrap(): unexpected scause 0xf pid=9
            sepc=0xaf4 stval=0xc0000000
test writes to read-only mapped memory: OK
mmaptest: all tests succeeded
$ usertests -q
usertests starting
...
ALL TESTS PASSED
$

以下是一些提示：

首先将 _mmaptest 添加到 UPROGS，和 mmap 和 munmap 系统调用，以便编译 user/mmaptest.c。目前，只需从 mmap 和 munmap 返回错误。我们在 kernel/fcntl.h 中为你定义了 PROT_READ 等。运行 mmaptest，它将在第一次 mmap 调用时失败。
跟踪 mmap 为每个进程映射的内容。定义一个对应于"虚拟内存区域"讲座中描述的 VMA（虚拟内存区域）的结构。这应该记录地址、长度、权限、文件等。为 mmap 创建的虚拟内存范围。由于 xv6 内核在内核中没有可变大小的内存分配器，可以声明一个固定大小的 VMA 数组并从中按需分配。16 的大小应该足够了。
实现 mmap：在进程的地址空间中找到一个未使用的区域以映射文件，并将 VMA 添加到进程的映射区域表中。 VMA 应包含一个指向要映射的文件的 struct file 的指针；mmap 应该增加文件的引用计数，以便当文件关闭时结构不会消失（提示：参见 filedup）。运行 mmaptest：第一个 mmap 应该成功，但对 mmap 内存的第一次访问将导致页面错误并杀死 mmaptest。
添加代码以使 mmap 区域中的页面错误分配一个物理内存页面，读取 4096 字节的相关文件到该页面，并将其映射到用户地址空间。使用 readi 读取文件，它接受一个偏移量参数以在文件中读取（但你必须锁定/解锁传递给 readi 的 inode）。不要忘记正确设置页面的权限。运行 mmaptest；它应该到达第一个 munmap。
实现 munmap：找到地址范围的 VMA 并取消映射指定的页面（提示：使用 uvmunmap）。如果 munmap 移除了之前的 mmap 的所有页面，它应该减少相应 struct file 的引用计数。如果取消映射的页面已被修改且文件映射为 MAP_SHARED，将页面写回文件。查看 filewrite 以获得灵感。
理想情况下，你的实现应该只写回程序实际修改的 MAP_SHARED 页面。 RISC-V PTE 中的脏位（D）指示页面是否已被写入。然而，mmaptest 不检查非脏页面是否未写回；因此你可以不看 D 位就写回页面。
修改 exit 以取消映射进程的映射区域，就像调用了 munmap 一样。运行 mmaptest；所有通过 test mmap two files 的测试都应该通过，但 test fork 可能不会。
修改 fork 以确保子进程具有与父进程相同的映射区域。不要忘记增加 VMA 的 struct file 的引用计数。在子进程的页面错误处理程序中，分配新物理页面而不是与父进程共享页面是可以的。后者会更酷，但需要更多实现工作。运行 mmaptest；它应该通过所有测试。

运行 usertests -q 以确保一切仍然正常工作。

提交实验

花费的时间

创建一个新文件 time.txt，并在其中放入一个整数，表示你在实验上花费的小时数。 git add 并 git commit 该文件。

答案

如果这个实验有问题，请在 answers-*.txt 中写下你的答案。 git add 并 git commit 这些文件。

提交

实验提交由 Gradescope 处理。你需要一个 MIT gradescope 账户。查看 Piazza 获取加入课程的入口代码。如果需要更多帮助加入，请使用此链接。

当你准备好提交时，运行 make zipball，这将生成 lab.zip。将此 zip 文件上传到相应的 Gradescope 作业。

如果你运行 make zipball 并且你有未提交的更改或未跟踪的文件，你会看到类似于以下的输出：

 M hello.c
?? bar.c
?? foo.pyc
Untracked files will not be handed in.  Continue? [y/N]

检查以上行并确保你的实验解决方案所需的所有文件都被跟踪，即，不列在以 ?? 开头的行中。你可以使用 git add {filename} 使 git 跟踪你创建的新文件。

警告
请运行 make grade 确保你的代码通过所有测试。 Gradescope 自动评分器将使用相同的评分程序为你的提交分配成绩。
在运行 make zipball 之前提交任何修改的源代码。
你可以在 Gradescope 上检查你的提交状态并下载提交的代码。Gradescope 实验成绩是你的最终实验成绩。

可选挑战

如果两个进程具有相同的文件 mmap（如 fork 测试中），共享它们的物理页面。你需要物理页面上的引用计数。
你的解决方案可能会为每个从 mmap 文件读取的页面分配一个新的物理页面，即使数据也在内核内存的缓冲区缓存中。修改你的实现以使用该物理内存，而不是分配新页面。这需要文件块与页面大小相同（将 BSIZE 设置为 4096）。你需要将 mmap 块固定在缓冲区缓存中。你需要担心引用计数。
删除懒惰分配实现和 mmap 文件实现之间的冗余。（提示：为懒惰分配区域创建一个 VMA。）
修改 exec 以对二进制文件的不同部分使用 VMA，以便你获得按需分页的可执行文件。这将使启动程序更快，因为 exec 将不必从文件系统读取任何数据。
实现页面换出和页面换入：让内核在物理内存不足时将进程的某些部分移动到磁盘。然后，在进程引用分页内存时将分页内存换入。

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