chapter3 练习 ==================== - 本节难度：**编程试水** 本章任务 -------------------- - 注意本节任务最终对应一次 lab 提交。 - 老规矩，先执行框架代码看下啥情况。 - 理解框架的多任务加载机制，了解此时用户和内核的大概内存布局。在此基础上，实现本章编程作业 *(1) 更安全的 sys_write*。 - 理解框架的调度机制，尤其要搞明白时钟中断的处理机制以及 yield 之后下一个进程的选择。在次基础上，完成本节的编程作业 *(2) stride 调度算法*。 - 进一步思考 stride 调度算法，完成本章问答作业。 - 最终，完成实验报告并 push 你的 ch3 分支到远程仓库。:ref:`ch3报告要求` 。push 代码后会自动执行 CI，代码给分以 CI 给分为准。 编程作业 -------------------- sys_write 参数检查 ++++++++++++++++++++ ch2 中，我们实现了第一个系统调用 ``sys_write``，这使得我们可以在用户态输出信息。但是 os 在提供服务的同时，还有保护 os 本身以及其他用户程序不受错误或者恶意程序破坏的功能。 由于还没有实现虚拟内存，我们可以在用户程序中指定一个属于其他程序或者内核的地址，并将它以字符串的形式输出，这显然是不合理的，因此我们要对 sys_write 做检查： - sys_write 仅能输出位于程序本身内存空间的数据，否则报错。 .. hint:: - 传入缓冲区是否位于用户所属地址。也就是 ``[buf, buf + len)`` 这一段地址，是否完全属于对应用户。如果不完全属于，sys_write应该返回 -1。 - 想想一个应用程序拥有哪些属于自己的空间？如何获得这些空间的位置？ - 大胆修改已有框架！除了配置文件，你几乎可以随意修改已有框架的内容。 - 可以看看 write 相关的测例是如何测试的。 实现正确后，代码应该能够通过用户测例中带有 write 的几个测例。 stride 调度算法 ++++++++++++++++++++ ch3 中我们引入了任务调度的概念，可以在不同任务之间切换，目前我们实现的调度算法十分简单，存在一些问题且不存在优先级。现在我们要为我们的 os 实现一种带优先级的调度算法：stide 调度算法。 算法描述如下: (1) 为每个进程设置一个当前 stride，表示该进程当前已经运行的“长度”。另外设置其对应的 pass 值（只与进程的优先权有关系），表示对应进程在调度后，stride 需要进行的累加值。 (2) 每次需要调度时，从当前 runnable 态的进程中选择 stride 最小的进程调度。对于获得调度的进程 P，将对应的 stride 加上其对应的步长 pass。 (3) 一个时间片后，回到上一步骤，重新调度当前 stride 最小的进程。 可以证明，如果令 P.pass = BigStride / P.priority 其中 P.pass 为进程的 pass 值，P.priority 表示进程的优先权（大于 1），而 BigStride 表示一个预先定义的大常数，则该调度方案为每个进程分配的时间将与其优先级成正比。证明过程我们在这里略去，有兴趣的同学可以在网上查找相关资料。 其他实验细节： - stride 调度要求进程优先级 :math:`\geq 2`，所以设定进程优先级 :math:`\leq 1` 会导致错误。 - 进程初始 stride 设置为 0 即可。 - 进程初始优先级设置为 16。 实验首先要求新增 syscall ``sys_set_priority``: * 功能描述：设定进程优先级 * syscall ID: 140 * 功能：设定进程优先级。 * C 接口：``int setpriority(long long prio);`` * Rust 接口：``fn sys_set_priority(prio: isize) -> isize;`` * 说明：设定自身进程优先级，只要 prio 在 [2, isize_max] 就成功，返回 prio，否则返回 -1。 * 针对测例 * ``setprio`` 实现 sys_set_priority 之后，你应该可以通过相应测例。 完成之后你需要调整框架的代码调度机制，以支持设置不同进程优先级之后可以按照 stride 算法进行调度。实现正确后，代码应该能够通过用户测例 stride*。如果实现正确，stride[x] 最终输出的 priority 和 exitcode 应该大致成正比。由于我们的时间片比较粗糙，qemu 的模拟也不是十分准确，我们最终的 CI 测试会允许最大 30% 的误差。 .. hint:: - 你应该给 proc / Task 结构体加入新的字段来支持优先级。 - 我们的测例运行时间不很长，不要求处理 stride 的溢出（详见问答作业，当然处理了更好）。 - 为了减少整数除的误差，BIG_STRIDE 一般需要很大，但测例中的优先级都是 2 的整数次幂，结合第二点，BIG_STRIDE不需要太大，65536 是一个不错的数字。 - 用户态的 printf 支持了行缓冲，所以如果你想要增加用户程序的输出，记得换行。 - stride 算法要找到　stride 最小的进程，使用优先级队列是效率不错的办法，但是我们的实验测例很简单，所以效率完全不是问题。事实上，我们非常推荐使用暴力扫一遍这种简单易行的办法找最小值。 - 注意设置进程的初始优先级。 .. attention:: 这部分仅使用 Rust 进行实验的同学需要注意 为了让大家能在本编程作业中使用 ``Vec`` 等数据结构，我们利用第三方库 ``buddy_system_allocator`` 为大家实现了堆内存分配器，相关代码位于 ``heap_alloc`` 模块。 背景知识： `Rust 中的动态内存分配 `_ .. _ch3问答作业: 问答作业 -------------------- 1. stride 算法深入 stride 算法原理非常简单，但是有一个比较大的问题。例如两个 pass = 10 的进程，使用 8bit 无符号整形储存 stride， p1.stride = 255, p2.stride = 250，在 p2 执行一个时间片后，理论上下一次应该 p1 执行。 - 实际情况是轮到 p1 执行吗？为什么？ 我们之前要求进程优先级 >= 2 其实就是为了解决这个问题。可以证明，**在不考虑溢出的情况下**, 在进程优先级全部 >= 2 的情况下，如果严格按照算法执行，那么 STRIDE_MAX – STRIDE_MIN <= BigStride / 2。 - 为什么？尝试简单说明（传达思想即可，不要求严格证明）。 已知以上结论，**在考虑溢出的情况下**，假设我们通过逐个比较得到 Stride 最小的进程，请设计一个合适的比较函数，用来正确比较两个 Stride 的真正大小： .. tabs:: .. group-tab:: Rust .. code-block:: rust let BIG_STRIDE: u64 = 0xffffffffffffffff_u64; i32 cmp(a: u64, b: u64) { // YOUR CODE HERE // return 1 if a > b // return -1 if a < b // return 0 if a == b } .. group-tab:: C .. code-block:: c typedef unsigned long long Stride_t; const Stride_t BIG_STRIDE = 0xffffffffffffffffULL; int cmp(Stride_t a, Stride_t b) { // YOUR CODE HERE // return 1 if a > b // return -1 if a < b // return 0 if a == b } 例子：假设使用 8 bits 储存 stride, BigStride = 255。那么： * `cmp(125, 255) == 1` * `cmp(129, 255) == -1` 实验目录要求 -------------------- .. code-block:: ├── os(内核实现) │   └── ... ├── reports (不是 report) │   ├── lab1.md/pdf │   └── ... ├── ... 测试时 os/Makefile 和 user/* 将被替换。 .. _ch3报告要求: 报告要求 -------------------- - [暂未支持] ``lab1.pdf`` CI 网站提交，注明姓名学号。 - 注意目录要求，报告命名 ``lab1.md`` 或 ``lab1.pdf``，位于 ``reports`` 目录下。命名错误视作没有提交。后续实验同理。 - 简单总结你实现的功能（200字以内，不要贴代码）。 - 完成问答问题。 + ch1: :ref:`ch1问答作业 ` + ch2: :ref:`ch2问答作业 ` + ch3: :ref:`ch3问答作业 ` - [可选，不占分] 你对本次实验设计及难度/工作量的看法，以及有哪些需要改进的地方，欢迎畅所欲言。 .. warning:: 请勿抄袭，报告会进行抽样查重！ 参考信息 -------------------- 如果有兴趣进一步了解 stride 调度相关内容，可以尝试看看： - `作者 Carl A. Waldspurger 写这个调度算法的原论文 `_ - `作者 Carl A. Waldspurger 的博士生答辩slide `_ - `南开大学实验指导中对Stride算法的部分介绍 `_ - `NYU OS课关于Stride Scheduling的Slide `_ 如果有兴趣进一步了解用户态线程实现的相关内容，可以尝试看看： - `user-multitask in rv64 `_ - `绿色线程 in x86 `_ - `x86版绿色线程的设计实现 `_ - `用户级多线程的切换原理 `_