BUAA_OS lab6实验报告

一、思考题

1. 思考6.1

示例代码中，父进程操作管道的写端，子进程操作管道的读端。如果现在想让父进程作为“读者”，代码应当如何修改？

修改后代码如下（交换case 0 和default部分的代码）：

 #include <stdlib.h>
 #include <unistd.h>
 int fildes[2];
 /* buf size is 100 */
 char buf[100];
 int status;
 int main(){
     status = pipe(fildes);
     if (status == -1 ) {
         /* an error occurred */
         printf("error\n");
     }
     switch (fork()) {
         case -1: /* Handle error */
             break;
         case 0: /* Child - writes to pipe */
             close(fildes[0]); /* Read end is unused */
             write(fildes[1], "Hello world\n", 12); /* Write data on pipe */
             close(fildes[1]); /* Child will see EOF */
             exit(EXIT_SUCCESS);        
         default: /* Parent - reads from pipe */
             close(fildes[1]); /* Write end is unused */
             read(fildes[0], buf, 100); /* Get data from pipe */
             printf("parent-process read:%s",buf); /* Print the data */
             close(fildes[0]); /* Finished with pipe */
             exit(EXIT_SUCCESS);     
     }
 }

2. 思考6.2

上面这种不同步修改 pp_ref 而导致的进程竞争问题在 user/fd.c 中的dup 函数中也存在。请结合代码模仿上述情景，分析一下我们的 dup 函数中为什么会出现预想之外的情况？

考虑这样的伪代码：

 if(fork() == 0) {
     dup(p[1]);
     read(p[0]);
 }
 else {
     dup(p[0]);
     write(p[1]);
 }

注意到在dup函数中，先对fd执行syscall_mem_map，后对data执行syscall_mem_map。

子进程先开始执行，执行到dup和read之间时发生时钟中断，此时pageref(p[1]) == 1，pageref(pipe) == 1；父进程开始执行，在dup函数中执行到fd的map之后，data的map之前，此时pageref(p[0]) == 1，pageref(pipe) == 1；时钟中断，子进程再次开始执行，此时执行read函数，判断发现pageref(p[0]) == pageref(pipe)，误认为是写者全部结束，于是错误地返回了。

3. 思考6.3

阅读上述材料并思考：为什么系统调用一定是原子操作呢？如果你觉得不是所有的系统调用都是原子操作，请给出反例。希望能结合相关代码进行分析。

系统调用一定是原子操作，因为在通过系统调用陷入内核态时汇编代码关闭了时钟中断。

4. 思考6.4

仔细阅读上面这段话，并思考下列问题

• 按照上述说法控制 pipeclose 中 fd 和 pipe unmap 的顺序，是否可以解决上述场景的进程竞争问题？给出你的分析过程。

• 我们只分析了 close 时的情形，在 fd.c 中有一个 dup 函数，用于复制文件内容。试想，如果要复制的是一个管道，那么是否会出现与 close 类似的问题？请模仿上述材料写写你的理解。

• 可以解决。最初pageref(p[0]) = 2，pageref(p[1]) = 2，pageref(pipe) = 4；仍考虑子进程先运行，对p[1]执行close函数时先解除了对写端fd的映射，之后发生时钟中断，此时pageref(p[0]) = 2，pageref(p[1]) = 1，pageref(pipe) = 4；父进程执行完close(p[0])后，pageref(p[0]) = 1，pageref(p[1]) = 1，pageref(pipe) = 3，父进程开始运行时仍不满足写端关闭的条件，因此竞争问题没有出现。

• 在程序执行时，总满足pageref(p[0]) ≤ pageref(pipe)，如果在dep中先对fd进行映射，此时fd的rep先增加，可能填补了二者的空隙，造成读端已满的假象（写端同理），因此也会出现与close相似的问题，需要调整映射的顺序。

5. 思考6.5

bss 在 ELF 中并不占空间，但 ELF 加载进内存后，bss 段的数据占据了空间，并且初始值都是 0。请回答你设计的函数是如何实现上面这点的？

与lab3实现几乎完全相同，当系统调用执行sys_mem_alloc函数时进一步调用了page_alloc函数，其中有bzero使新分配的页面内容全部为0，只要不向数据段错误地复制内容，即可保证该段初始值为0。

6. 思考6.6

为什么我们的 *.b 的 text 段偏移值都是一样的，为固定值？

观察user/user.lds文件内容，有如下代码：

 . = 0x00400000;
 ​
   _text = .;                    /* Text and read-only data */
   .text : {
         *(.text)
         *(.fixup)
         *(.gnu.warning)
         }

这说明所有文件在链接时都以此规定相同的起始地址。

7.思考6.7

在哪步，0和1被“安排”为标准输入和标准输出？请分析代码执行流程，给出答案。

在user/init.c中，有如下代码，在此处将0和1安排为了标准输入输出：

 close(0);
         if ((r = opencons()) < 0)
                 user_panic("opencons: %e", r);
         if (r != 0)
                 user_panic("first opencons used fd %d", r);
         if ((r = dup(0, 1)) < 0)
                 user_panic("dup: %d", r);

二、实验难点

1. 管道与进程切换

由于时钟中断可能在函数执行中间发生，而有时需要保证同步性，因此需要注意判断是否在同一时间片内。_pipeisclosed函数中就需要运用env_runs变量计数进程执行次数，只有在同一次数内才能保证pageref的同步性。

2. spawn

在加载ELF文件内容时，需要调用自己写的usr_load_elf函数，这与lab3中的load_icode_mapper相似，不同之处在于本次位于用户态下，而要实现两个进程间内容的传递，需要通过系统调用，将文件系统进程的一个暂时页面映射到子进程所需页面，之后文件系统进程在该页面的具体位置复制内容，子进程相应位置也就有了信息，最后文件系统进程再解除工具页面的映射，开始下一个位置的映射。

三、体会与感想

本次lab用时13小时，相比于前几个lab用时少了很多，也可能是因为到了考期，而且没有了课上测试的要求，有些代码没有很认真地理解，做得有些潦草。计划考期结束后重新过一遍，加深对管道的理解。

实现完文件系统和管道后，操作系统似乎更加有意思了起来，原来只是对着一块黑黑的屏幕写一些十分抽象的代码，运行结果也只是一些printf的输出，而现在可以自己创建文件，可以实现控制台中断，与控制台交互等，随便敲敲都会有显示，于是像个没见过世面的小孩子，觉得惊喜又有趣。

四、残留难点

对填写范围以外的官方代码理解还不透彻，需要更细致的学习。