MIT-6.S081 Copy on Write Fork

思路

思路相对来说比较简单，copy on write 主要实现是效果是在 fork 的时候并不要为子进程额外分配物理地址，而是与父进程共享物理地址，并且将物理地址的页表项(即最后一级页表项)设为不可写，这样，如果父进程与子进程如果不被写的话就可以完全正常执行，当设计到写操作时，硬件的 MMU 将会检测到页表项不可写，此时会产生 Page Fault 异常，而操作系统在异常处理中需要重新分配私有的物理页，并将原有的物理页拷贝到私有物理页并进行重新映射，并将页表项重新设置为可写即可。而原有的物理页则可能被多个进程所引用，所以由引用计数来决定是否被释放，具体过程见实现部分。

实现

首先用户进程在执行 fork 的时候子进程不需要对父进程物理页面进行实际拷贝，实际修改是在 uvmcopy 这个函数里面:

int
uvmcopy(pagetable_t old, pagetable_t new, uint64 sz)
{
  // 将父进程页表内容拷贝到子进程中
  // 将所有页表项设置为不可写,这里要模拟一遍页表翻译过程
  for(uint64 vaddr = 0; vaddr < sz; vaddr += PGSIZE) {
    // 我们只需要将最低级的页表加上 COW 标识符
    // 并擦去写标志位即可
    extern char end[];
    pte_t* pte = walk(old, vaddr, 0);
    uint64 pa = (uint64)PTE2PA((uint64)(*pte));
    uint32 index = (pa - PGROUNDUP((uint64)end)) / PGSIZE;
    pin_page(index);
    uint64 flags = (PTE_FLAGS((uint64)(*pte)) | PTE_COW) & ~PTE_W;
    if(mappages(new, vaddr, PGSIZE, pa, flags) != 0){
      panic("[Kernel] uvmcopy: fail to copy parent physical address.\n");
    }
    if(pte == 0){
      panic("[Kernel] uvmcopy: pte should exist.\n");
    }
    if(!(*pte & PTE_COW)) {
        // 将页表项加上 COW 标识符
        *pte |= PTE_COW;
        // 清除写标志位
        *pte &= ~(PTE_W);
      }
  }
  
  return 0;
}

此时当进程想去去写物理页面的时候会直接触发 Page Fault, 因此我们需要在 usertrap 中进行处理:

//
// handle an interrupt, exception, or system call from user space.
// called from trampoline.S
//
void
usertrap(void)
{
  int which_dev = 0;

  if((r_sstatus() & SSTATUS_SPP) != 0)
    panic("usertrap: not from user mode");

  // send interrupts and exceptions to kerneltrap(),
  // since we're now in the kernel.
  w_stvec((uint64)kernelvec);

  struct proc *p = myproc();
  
  // save user program counter.
  p->tf->epc = r_sepc();
  // printf("[Kernel] usertrap: epc: %p scause: %p, \n", p->tf->epc, r_scause());
  if(r_scause() == 8){
    // system call
    if(p->killed)
      exit(-1);

    // sepc points to the ecall instruction,
    // but we want to return to the next instruction.
    p->tf->epc += 4;

    // an interrupt will change sstatus &c registers,
    // so don't enable until done with those registers.
    intr_on();

    syscall();
  } else if(r_scause() == 0xf){
    // 发生页错误，此时应当分配页进行重新映射，并添加写标志位
    // 获取发生页错误的虚拟地址
    uint64 err_vaddr = PGROUNDDOWN(r_stval());
    // 对子进程/父进程进行重新映射, 并添加写标志位
    // 获取出现页错误的物理地址
    pte_t* err_pte = translate(p->pagetable, err_vaddr);
    if(*err_pte & PTE_COW) {
      // 如果此时带有 COW 标志位的话
      uint64 err_paddr = PTE2PA((uint64)*err_pte);
      if(err_paddr == 0){
        printf("[Kernel] usertrap: err_vaddr: %p\n", err_vaddr);
        panic("[Kernel] usertrap: fail to walk");
      }
      // 分配一块新的物理页，并将数据拷贝到新分配中的页中
      char* page = kalloc();
      if(page == 0){
        printf("[Kernel] usertrap: Fail to allocate physical page.\n");
        p->killed = 1;
      }else{
        // 当拿到发生页错误所在的物理地址时需要进行重新映射
        // 此时需要加上写标志位并擦除 COW 标志位
        uint64 flags = (PTE_FLAGS((uint64)(*err_pte)) | PTE_W) & (~PTE_COW);
        // 将原来的数据拷贝到新分配的页中
        memmove((char*)page, (char*)err_paddr, PGSIZE);
        // 对发生错误的虚拟地址重新进行映射
        uvmunmap(p->pagetable, err_vaddr, PGSIZE, 1);
        *err_pte = PA2PTE((uint64)page) | flags;
      }
    }
  }else if((which_dev = devintr()) != 0){
    // ok
  } else {
    printf("usertrap(): unexpected scause %p pid=%d\n", r_scause(), p->pid);
    printf("            sepc=%p stval=%p\n", r_sepc(), r_stval());
    p->killed = 1;
  }

  if(p->killed)
    exit(-1);

  // give up the CPU if this is a timer interrupt.
  if(which_dev == 2)
    yield();

  usertrapret();
}

除此之外，当进程调用 copyout 函数将数据从内核态拷贝到用户态时我们也需要检查页表项是否有 COW 标志并进行重新分配拷贝页表:

// 拷贝的时候需要查看是否有 COW 标志位进而进行页的重新分配
int
copyout(pagetable_t pagetable, uint64 dstva, char *src, uint64 len)
{
  if(dstva > MAXVA){
    return -1;
  }
  uint64 n, va0;

  while(len > 0){
    va0 = PGROUNDDOWN(dstva);
    pte_t* pte = translate(pagetable, va0);
    if(pte == 0){
      return -1;
    }
    uint64 pa = PTE2PA((uint64)(*pte));
    if(*pte & PTE_COW){
      char* page = kalloc();
      if(page == 0){
        panic("[Kernel] uvmcopy: fail to allocate page.\n");
      }else{
        uint64 flags = (PTE_FLAGS((uint64)(*pte)) | PTE_W) & ~PTE_COW;
        memmove((char*)page, (char*)pa, PGSIZE);
        uvmunmap(pagetable, va0, PGSIZE, 1);
        *pte = PA2PTE((uint64)page) | flags;
        // kfree((void*)pa);
        pa = (uint64)page;
      }
    }
    n = PGSIZE - (dstva - va0);
    if(n > len)
      n = len;
    memmove((void *)(pa + (dstva - va0)), src, n);

    len -= n;
    src += n;
    dstva = va0 + PGSIZE;
  }
  return 0;
}

而对于页面的引用计数我们实现在 kalloc.c 中，我们定义了 pin_page 和 unpin_page 来对页面引用进行修改:

void pin_page(uint32 index){
  acquire(&refs_lock);
  page_refs[index]++;
  release(&refs_lock);
}

void unpin_page(uint32 index){
  acquire(&refs_lock);
  page_refs[index]--;
  release(&refs_lock);
}

在我们使用 kalloc 和 kfree 来分配与释放页面时也需要对引用进行操作:

// Free the page of physical memory pointed at by v,
// which normally should have been returned by a
// call to kalloc().  (The exception is when
// initializing the allocator; see kinit above.)
void
kfree(void *pa)
{
  struct run *r;

  if(((uint64)pa % PGSIZE) != 0 || (char*)pa < end || (uint64)pa >= PHYSTOP)
    panic("kfree");

  uint32 index = ((uint64)pa - PGROUNDUP((uint64)end)) / PGSIZE;
  if(get_page_ref(index) < 1){
    printf("[Kernel] kfree: refs: %d\n", get_page_ref(index));
    panic("[Kernel] kfree: refs < 1.\n");
  }
  unpin_page(index);
  int refs = get_page_ref(index);
  if(refs > 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);
}

// Allocate one 4096-byte page of physical memory.
// Returns a pointer that the kernel can use.
// Returns 0 if the memory cannot be allocated.
void *
kalloc(void)
{
  struct run *r;

  acquire(&kmem.lock);
  r = kmem.freelist;
  if(r)
    kmem.freelist = r->next;
  release(&kmem.lock);

  if(r){
    memset((char*)r, 5, PGSIZE); // fill with junk
    // 将引用计数加一
    uint32 index = ((uint64)r - PGROUNDUP((uint64)end)) / PGSIZE;
    // pin_page(index);
    acquire(&refs_lock);
    page_refs[index] = 1;
    release(&refs_lock);
  }
  return (void*)r;
}

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