MIT 6.S081 2021: Lab Copy-on-Write Fork for xv6
1.uvmcopy
根据提示，首先要修改uvmcopy() ，把子进程的虚拟地址映射到父进程的物理页表上，同时清理父子进程页表上的PTE_W位。这里还是比较简单的，先根据要求，尝试一下写出代码：
获取父进程每页对应的PTE表项，清除掉父进程的PTE_W位，提取出它的flag，在给子进程的虚拟地址建立页表映射的时候使用这个flag，这样子进程的各个PTE和父进程就相同了。
2.usertrap
然后根据提示，我们需要修改usertrap() 函数，当遇到page fault时要为子进程新分配一个页并更新映射。
首先要明确几点：当发生page fault时，引发page fault的地址存储在寄存器stval中，引发pagefault的原因存储在寄存器scause中，引发page fault的指令地址在sepc中。因为父子进程已经是共用数据了，因此使用if(r_scause()==15)来判断是不是出现了page fault。（反正是只用15没问题）尝试实现处理COW操作的函数（不是最终版）：
首先记得做好错误检测，如果传入了非法地址要及时退出。make grade是真的会测试非法地址的！然后使用walk()得到指向stval所在页表的指针，如果得到的不是有效地址也要及时返回。使用kalloc()分配一个页，其地址赋值给pa2，page fault页的物理地址赋值给pa1。注意kalloc()不能保证一定能分配出一块内存，所以要记得检测pa2是不是0，如果分配不出来内存要退出。
最后使用memmove直接复制本页所有内容，然后使用PA2PTE宏来创建页表项，并打开所有的PTE位，存入刚刚walk()得到的内存地址中，这样就覆盖了原来的表项。
3.reference count
在COW中，会出现大量的多个虚拟地址对应同一个物理页表的情况。如果某一个进程乱释放物理页表，会导致其他进程的页表也被释放。所以需要对每一个页表都设置引用计数。初始状态计数默认为1。调用kfree()释放内存时，先把计数减去1，再检查计数，如果为0，说明这个页表已经是彻底没用了，可以直接释放。（这就像ext文件系统里的inode一样）
按照提示，在kalloc.c里初始化一个数组int refcount[PHYSTOP/PGSIZE]，初始化为0。PHYSTOP是xv6可用的全部内存值，因此refcount存储了所有页表的计数。
修改kalloc()，在这里初始化计数为1：
void *
kalloc(void)
{
struct run *r;
acquire(&kmem.lock);
r = kmem.freelist;
if(r)
{
int pn=(uint64)r/PGSIZE;
if(refcount[pn]!=0)
panic("ref kalloc");
refcount[pn]=1;
kmem.freelist = r->next;
}
release(&kmem.lock);
if(r)
memset((char*)r, 5, PGSIZE); // fill with junk
return (void*)r;
}记得错误检查：如果计数不为0，说明这个空闲页表被引用，必然是出现了严重的bug，直接打出panic。还要注意，refcount显然是所有进程共有的，为了避免出现race condition，一定要在锁中操作。
修改kfree()：
void
kfree(void *pa)
{
struct run *r;
if(((uint64)pa % PGSIZE) != 0 || (char*)pa < end || (uint64)pa >= PHYSTOP)
panic("kfree");
acquire(&kmem.lock);
int pn=(uint64)pa/PGSIZE;
if(refcount[pn]<1)
panic("kfree ref");
refcount[pn]-=1;
int tmp=refcount[pn];
release(&kmem.lock);
if(tmp>0)
return;
// Fill with junk to catch dangling refs.
memset(pa, 1, PGSIZE);
r = (struct run*)pa;
acquire(&kmem.lock);
r->next = kmem.freelist;
kmem.freelist = r;
release(&kmem.lock);
}只要有函数调用kfree()，就说明需要对页表pa的refcount减去1。注意错误处理：如果refcount已经是0，说明系统出现了多次释放同一块内存的bug。减完之后再检测一下refcount是不是0，如果是0则释放即可。记得访问refcount的时候要加锁。
现在make qemu一下，xv6竟然不能boot，为什么呢？因为系统在boot时调用了kinit()初始化内存，kinit()调用freerange()，而freerange()使用了kfree()来清空内存。这时的refcount是0，已经是空闲页了，kfree()无法释放它。因此需要修改freerange()：
void
freerange(void *pa_start, void *pa_end)
{
char *p;
p = (char*)PGROUNDUP((uint64)pa_start);
for(; p + PGSIZE <= (char*)pa_end; p += PGSIZE)
{
refcount[(uint64)p/PGSIZE]=1;
kfree(p);
}
}
4.使用reference count
每当一个进程fork()一次，它每个页表的reference count都应该加1，因为有一个子进程使用了它的物理页表。因此可以设计一个incref函数用来给refcount+1：
void incref(uint64 pa)
{
int pn=pa/PGSIZE;
acquire(&kmem.lock);
if(pa>PHYSTOP||refcount[pn]<1)
panic("incref");
refcount[pn]+=1;
release(&kmem.lock);
}修改uvmcopy()，调用incref(pa)，每mappage一次都需要增加一次计数：
int
uvmcopy(pagetable_t old, pagetable_t new, uint64 sz)
{
pte_t *pte;
uint64 pa, i;
uint flags;
//char *mem;
for(i = 0; i < sz; i += PGSIZE){
if((pte = walk(old, i, 0)) == 0)
panic("uvmcopy: pte should exist");
if((*pte & PTE_V) == 0)
panic("uvmcopy: page not present");
pa = PTE2PA(*pte);
*pte=(*pte)&~PTE_W;
flags = PTE_FLAGS(*pte);
// if((mem = kalloc()) == 0)
// goto err;
// memmove(mem, (char*)pa, PGSIZE);
incref(pa);
if(mappages(new, i, PGSIZE, (uint64)pa, flags) != 0){
//kfree(mem);
goto err;
}
}
return 0;现在如果直接执行cowtest的话会出现内存不足的bug。因为在COW操作完成之后，子进程不再和父进程共用发生过page fault的页表，因此父进程中原来的页表引用需要减去1。还要修改cowfault()，对父进程的页表进行一次kfree()操作来减少一次引用计数：
int cowfault(pagetable_t pagetable,uint64 va)
{
if(va>=MAXVA)
return -1;
pte_t *pte=walk(pagetable,va,0);
if(pte==0)
return -1;
//检测地址是否合法
if((*pte&PTE_U)==0||(*pte&PTE_V)==0)
return -1;
uint64 pa1=PTE2PA(*pte);
uint64 pa2=(uint64)kalloc();
if(pa2==0)
{
printf("kalloc failed\n");
return -1;
}
memmove((void*)pa2,(void*)pa1,PGSIZE);
*pte=PA2PTE(pa2)|PTE_V|PTE_U|PTE_R|PTE_W|PTE_X;
kfree((void*)pa1);
return 0;
}5.copyout
按照提示，我们需要给copyout()增加COW的功能。首先要获取dstva所在页表的虚拟地址va0和表项pte。如果此页表的PTE_W是无效的不允许写入，则需要COW创建一个新的页表给子进程写入。有了前面的代码，我们可以直接调用cowfault为va0分配一个新的独立页。
这时va0对应的表项已经被更新，对应的物理地址已经被改变，所以使用PTE2PA获取新分配的物理地址，稍后传给memmove()。
int
copyout(pagetable_t pagetable, uint64 dstva, char *src, uint64 len)
{
uint64 n, va0, pa0;
while(len > 0){
va0 = PGROUNDDOWN(dstva);
if(va0>=MAXVA)
return -1;
pa0 = walkaddr(pagetable, va0);
pte_t* pgfault=walk(pagetable,va0,0);
if(pgfault==0||(*pgfault&PTE_V)==0||(*pgfault&PTE_U)==0)
return -1;
if(pa0 == 0)
return -1;
if((*pgfault&PTE_W)==0)
{
if(cowfault(pagetable,va0)<0)
{
return -1;
}
}
pa0=PTE2PA(*pgfault);
n = PGSIZE - (dstva - va0);
if(n > len)
n = len;
memmove((void *)(pa0 + (dstva - va0)), src, n);
len -= n;
src += n;
dstva = va0 + PGSIZE;
}
return 0;
}这里还是要注意错误处理！注意va0是否合法，pgfault是否存在，如果存在PTE_U和PTE_V是否合法，cowfault是否能正常返回。
