diff --git "a/source/_posts/2024\347\247\213\345\206\254\346\223\215\344\275\234\347\263\273\347\273\237\350\256\255\347\273\203\350\220\245\347\254\254\344\270\211\351\230\266\346\256\265\346\200\273\347\273\223-lzh.md" "b/source/_posts/2024\347\247\213\345\206\254\346\223\215\344\275\234\347\263\273\347\273\237\350\256\255\347\273\203\350\220\245\347\254\254\344\270\211\351\230\266\346\256\265\346\200\273\347\273\223-lzh.md" new file mode 100644 index 0000000000..6943b6d6e8 --- /dev/null +++ "b/source/_posts/2024\347\247\213\345\206\254\346\223\215\344\275\234\347\263\273\347\273\237\350\256\255\347\273\203\350\220\245\347\254\254\344\270\211\351\230\266\346\256\265\346\200\273\347\273\223-lzh.md" @@ -0,0 +1,150 @@ +--- +title: 2024秋冬操作系统训练营第三阶段总结报告 +date: 2024-12-1 18:40:28 +categories: + - 2024秋冬季开源操作系统训练营 +tags: + - author:RedFlagLee + - repo:https://github.com/RedFlagLee/oscamp + - 第三阶段总结报告 +--- + +## 课后练习：bump内存分配算法 + +主要代码在alt_axalloc里，与axalloc里不同，它在初始化时内部只有一个分配器，并把所有物理内存都分配给它。这个分配器同时实现字节分配器和页分配器的trait，但分配内存时只使用字节分配器里的alloc，页分配器里的alloc_pages没用。 + +```rust +// modules\alt_axalloc\src\lib.rs +#[cfg_attr(all(target_os = "none", not(test)), global_allocator)] +static GLOBAL_ALLOCATOR: GlobalAllocator = GlobalAllocator::new(); +``` + +要想正常实现动态内存分配，首先要用#\[global_allocator]属实告诉编译器使用哪个分配器实例作为全局分配器。 + +```rust +// modules\alt_axalloc\src\lib.rs +unsafe impl GlobalAlloc for GlobalAllocator { + unsafe fn alloc(&self, layout: Layout) -> *mut u8 {...} + unsafe fn dealloc(&self, ptr: *mut u8, layout: Layout) {...} +``` + +然后需要为自定义的分配器实现GlobalAlloc trait里的alloc和dealloc方法。查找调用关系：GlonalAlloc::alloc -> GlobalAllocator::alloc -> EarlyAllocator:alloc -> ByteAllocator::alloc，dealloc同理。因此主要修改的代码为modules/bump_allocator里的EarlyAllocator里的ByteAllocator trait的alloca和dealloc方法。 + +bump的实现参考[Writing an OS in Rust : Allocator Designs 分配器设计与实现-CSDN博客](https://blog.csdn.net/xuejianxinokok/article/details/133811834) +## lab1：针对应用场景，优化内存分配器组件 + +### 分配器内存的初始化和申请 + +总共可用于分配的堆内存大小是多少？ +根据axalloc::global_init(start_vaddr, size) -> GLOBAL_ALLOCATOR.init(start_vaddr, size) 可得size参数的大小即为分配的堆内存大小。查找global_init的使用得axruntime::init_allocator + +```rust +// axruntime::init_allocator +... +for r in memory_regions() { + if r.flags.contains(MemRegionFlags::FREE) && r.paddr == max_region_paddr { + axalloc::global_init(phys_to_virt(r.paddr).as_usize(), r.size); + break; + } + } +for r in memory_regions() { + if r.flags.contains(MemRegionFlags::FREE) && r.paddr != max_region_paddr { axalloc::global_add_memory(phys_to_virt(r.paddr).as_usize(), r.size) + .expect("add heap memory region failed"); + } + } +``` + +由上述代码可得标记为free的内存区域都分配给内存分配器使用。 + +memory_regions -> platform_regions，当前平台为riscv64 + +```rust +//riscv64_qemu_virt_/mem.rs +/// Returns platform-specific memory regions. +pub(crate) fn platform_regions() -> impl Iterator { + crate::mem::default_free_regions().chain(crate::mem::default_mmio_regions()) +} +``` + +default_free_regions里标记为free，块起始地址为_ekernel，结束地址为PHYS_MEMORY_END。 + +```rust +pub const PHYS_MEMORY_END: usize = PHYS_MEMORY_BASE + PHYS_MEMORY_SIZE; +``` + +定义在config.rs里，查找可得物理内存大小为128m，根据128m查找可得由来为qemu启动时设置的物理内存参数128m。运行时添加LOG=debug参加也可以在输出信息里直观看到分配给分配器的内存，initialize global allocator at: \[0xf +fffffc080270000, 0xffffffc088000000), size:131661824。 + +```rust +// GlobalAllocator::alloc + let old_size = balloc.total_bytes(); + let expand_size = old_size + .max(layout.size()) + .next_power_of_two() + .max(PAGE_SIZE); + let heap_ptr = match self.alloc_pages(expand_size / PAGE_SIZE, PAGE_SIZE) { + Ok(ptr) => ptr, + Err(e) => panic!("Bumb: {:?}.", e),} + +``` + +初始分给字节分配器32KB，当alloc内存不够时，由页分配器再分配页倍数大小的内存。注意分配时要求的内存大小和字节分配器的total_bytes函数返回的值有关，若total_bytes实现不当返回值过大，则一次要求的内存会远远超过实际需要的内存，造成字节分配器分配内存失败，提前终止迭代（我实现的total_bytes返回的是可分配的内存大小，这样每次申请的内存就和需要的内存接近了）。 + +### 应用程序内存的申请和释放 + +通过在alloc和dealloc函数里log，分析堆上内存的分配和释放时机，主要和三个变量有关：pool、items和a。a类型是Vec\，可以简单看作是一个内部地址连续的内存块。items和pool类型是Vec\>，可以看成是存储Vec胖指针的集合。 + +在主循环里的每一轮先调用alloc_pass申请大量内存，连续申请$a_n\quad (n = 0, 1, 2, \ldots, 14)+\delta$大小的内存块，其中$\delta$表示轮数，$a_n$是首项为32，最大项为524288的以2为公比等比数列，用等比数列的求和公式可得一轮申请的内存块之和大约为1MB。每申请一个内存块便push进items里，items扩容是翻倍，初始申请$4\times32$B大小的内存，扩容的时候先申请$8\times32$B大小的内存，再释放之前申请的。因为一轮循环里总共申请15块内存，items最大容量为$16\times32=384$B。 + +alloc_pass结束后通过free_pass函数连续释放掉偶数项的内存块。然后将items append进pool里，每一轮循环结束pool就增加$7\times24=168$B大小，pool每次扩容时同样会释放掉之前占用的内存。pool的作用域是整个循环，pool本身及对应奇数项占用的内存在循环结束后才释放，随着循环次数的增加，占用内存越来越大，直到耗光128MB总内存。 + +我们可以粗略进行分析，如果忽视掉pool和items变量本身的大小（使用bumb算法，items变量最多占用$96+192+384=672$B，pool最多占用$168\times\sum_{n=1}^\delta k$ B）和每次循环递增的$\delta$，每一轮循环释放掉偶数项的总和约为$\frac{2}{3}$ MB，那么理论上最大循环次数约为$128\times3=384$。注意这是在保留奇数项内容正确性，不对奇数项所占内存进行覆写的情况下。 +### 自定义内存分配器的设计 + +根据上面的分析可知，items能占用的最大空间是有限的，且在每轮循环结束后会全部释放，适合在固定大小的内存区域里使用bumb算法管理。偶数项所占用的内存空间随着$\delta$变化非常缓慢，且同样也会在每轮循环结束前全部释放，同样适合在固定固定大小的内存区域里使用bumb算法管理。同时，items和偶数项都会在全部释放完后再重新分配，所以items和偶数项可以在一块内存里用bumb算法管理。pool和奇数项占用空间是持续增加的，pool会释放，奇数项不会，但为了简单处理一样用bumb算法管理（pool占用内存在轮数较大时存在较大的优化空间）。 + +分配器初始可用内存为32KB，当分配不够时再向页分配器申请扩容。为了方便划分区域进行管理，在申请第0轮第0项大小的内存时，我们在alloc函数里返回nomemory错误，并在total_bytes函数返回items和偶数项之和的大小来申请足够的内存。在不覆写奇数项情况下，理论最大轮数大约为384，偶数项之和每一项增加15，所以items和偶数项之和为$672+699040+384\times15=704932$B大小，这样分配器初始就能申请向上取整2的n次方和4096的倍数1048576B大小的内存使用。 + +由初始地址开始，大小为704932B大小的内存区域用来进行items和偶数项的分配和释放。剩下的区域用来进行pool和奇数项的分配和释放，随着奇数项的增加再向页分配器申请新的扩容，直至最终内存耗尽，所有区域内部均使用bumb算法进行管理。注意，每一轮循环里items和偶数项都会在申请完毕后全部释放，奇数项在整个循环期间不释放，所以用bumb管理是合适的。但pool在循环内是会释放的，且随着轮数的增加，空闲内存大小不容忽视，未来可以用更高效的算法来管理pool的内存，还能进一步增加轮数。 + +## 课后练习： 实现最简单的Hypervisor，响应VM_EXIT常见情况 + +先从simple_hv/src/main.rs里的main函数开始运行，此时处于host域。用new_user_aspace创建地址空间，load_vm_image加载要在guest域里运行的内核文件。prepare_guest_context伪造guest上下文件，设置初始特权级为S，sepc值为VM_ENTRY（内核文件的入口地址）。 + +```rust +// Kick off vm and wait for it to exit. + while !run_guest(&mut ctx) {} + + fn run_guest(ctx: &mut VmCpuRegisters) -> bool { + unsafe { + _run_guest(ctx); + } + + vmexit_handler(ctx) +} + +``` + +while循环里将会启动guest并等待它退出。_run_guest在guest.S里，主要功能是保存host上下文和恢复guest上下文，具体细节下次课会讲，最后sret跳转到sepc里的地址，切换到了guest里的内核执行。触发中断后会跳转到_guest_exit里执行，执行完后会进入vmexit_handler函数里执行（执行完_guest_exit后会接着执行_restore_csrs，里面恢复了ra寄存器的值，并在最后使用ret返回到调用_run_guest的下一行）。 + +```rust +//payload/skernel/src/main.rs +unsafe extern "C" fn _start() -> ! { + core::arch::asm!( + "csrr a1, mhartid", + "ld a0, 64(zero)", + "li a7, 8", + "ecall", + options(noreturn) + ) +} +``` + +内核程序如上所示，当执行csrr a1, mhartid时，VS态写入了M态的寄存器，触发非法指令异常。ld 10, 64(zero)，写入了非法内存地址，触发页错误异常。ecall指令超出VS态执行权限，触发异常。 + +先触发非法指令异常，在异常函数处理中，我们先需要将sepc+=4（一条指令长度为4字节），以便下次_run_guest里的sret能正确跳转到下条指令执行。然后返回false，以便while循环不退出，继续执行run_guest函数。 + +## 总结 + +这个阶段学得不是很扎实，很多内容都只看了视频，没有完成课后练习，等后面还要进一步回锅。 +