MIT-6.828-JOS-lab5:File system, Spawn and Shell

活在未來的人發表於2018-11-13

MIT

Lab 5: File system, Spawn and Shell

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概述

本lab將實現JOS的檔案系統，只要包括如下四部分：

引入一個檔案系統程式（FS程式）的特殊程式，該程式提供檔案操作的介面。
建立RPC機制，客戶端程式向FS程式傳送請求，FS程式真正執行檔案操作，並將資料返回給客戶端程式。
更高階的抽象，引入檔案描述符。通過檔案描述符這一層抽象就可以將控制檯，pipe，普通檔案，統統按照檔案來對待。（檔案描述符和pipe實現原理）
支援從磁碟載入程式並執行。

File system preliminaries

我們將要實現的檔案系統會比真正的檔案系統要簡單，但是能滿足基本的建立，讀，寫，刪除檔案的功能。但是不支援連結，符號連結，時間戳等特性。

On-Disk File System Structure

JOS的檔案系統不使用inodes，所有檔案的後設資料都被儲存在directory entry中。
檔案和目錄邏輯上都是由一系列資料blocks組成，這些blocks分散在磁碟中，檔案系統遮蔽blocks分佈的細節，提供一個可以順序讀寫檔案的介面。JOS檔案系統允許使用者讀目錄後設資料，這就意味著使用者可以掃描目錄來像實現ls這種程式，UNIX沒有采用這種方式的原因是，這種方式使得應用程式過度依賴目錄後設資料格式。

Sectors and Blocks

大部分磁碟都是以Sector為粒度進行讀寫，JOS中Sectors為512位元組。檔案系統以block為單位分配和使用磁碟。注意區別，sector size是磁碟的屬性，block size是作業系統使用磁碟的粒度。JOS的檔案系統的block size被定為4096位元組。

Superblocks

檔案系統使用一些特殊的block儲存檔案系統屬性後設資料，比如block size, disk size, 根目錄位置等。這些特殊的block叫做superblocks。
我們的檔案系統使用一個superblock，位於磁碟的block 1。block 0被用來儲存boot loader和分割槽表。很多檔案系統維護多個superblock，這樣當一個損壞時，依然可以正常執行。
磁碟結構如下：

File Meta-data

我們的檔案系統使用struct File結構描述檔案，該結構包含檔名，大小，型別，儲存檔案內容的block號。struct File結構的f_direct陣列儲存前NDIRECT（10）個block號，這樣對於10*4096=40KB的檔案不需要額外的空間來記錄內容block號。對於更大的檔案我們分配一個額外的block來儲存4096/4=1024 block號。所以我們的檔案系統允許檔案最多擁有1034個block。File結構如下： File檔案結構

Directories versus Regular Files

File結構既能代表檔案也能代表目錄，由type欄位區分，檔案系統以相同的方式管理檔案和目錄，只是目錄檔案的內容是一系列File結構，這些File結構描述了在該目錄下的檔案或者子目錄。
超級塊中包含一個File結構，代表檔案系統的根目錄。

The File System

Disk Access

到目前為止核心還沒有訪問磁碟的能力。JOS不像其他作業系統一樣在核心新增磁碟驅動，然後提供系統呼叫。我們實現一個檔案系統程式來作為磁碟驅動。
x86處理器使用EFLAGS暫存器的IOPL為來控制保護模式下程式碼是否能執行裝置IO指令，比如in和out。我們希望檔案系統程式能訪問IO空間，其他程式不能。

Exercise 1

檔案系統程式的type為ENV_TYPE_FS，需要修改env_create()，如果type是ENV_TYPE_FS，需要給該程式IO許可權。
在env_create()中新增如下程式碼：

    if (type == ENV_TYPE_FS) {
        e->env_tf.tf_eflags |= FL_IOPL_MASK;
    }

The Block Cache

我們的檔案系統最大支援3GB，檔案系統程式保留從0x10000000 (DISKMAP)到0xD0000000 (DISKMAP+DISKMAX)固定3GB的記憶體空間作為磁碟的快取。比如block 0被對映到虛擬地址0x10000000，block 1被對映到虛擬地址0x10001000以此類推。
如果將整個磁碟全部讀到記憶體將非常耗時，所以我們將實現按需載入，只有當訪問某個bolck對應的記憶體地址時出現頁錯誤，才將該block從磁碟載入到對應的記憶體區域，然後重新執行記憶體訪問指令。

Exercise 2

實現bc_pgfault()和flush_block()。
bc_pgfault()是FS程式缺頁處理函式，負責將資料從磁碟讀取到對應的記憶體。可以回顧下lab4。

bc_pgfault(struct UTrapframe *utf)
{
    void *addr = (void *) utf->utf_fault_va;
    uint32_t blockno = ((uint32_t)addr - DISKMAP) / BLKSIZE;
    int r;

    // Check that the fault was within the block cache region
    if (addr < (void*)DISKMAP || addr >= (void*)(DISKMAP + DISKSIZE))
        panic("page fault in FS: eip %08x, va %08x, err %04x",
              utf->utf_eip, addr, utf->utf_err);

    // Sanity check the block number.
    if (super && blockno >= super->s_nblocks)
        panic("reading non-existent block %08x
", blockno);

    // Allocate a page in the disk map region, read the contents
    // of the block from the disk into that page.
    // Hint: first round addr to page boundary. fs/ide.c has code to read
    // the disk.
    //
    // LAB 5: you code here:
    addr = ROUNDDOWN(addr, PGSIZE);
    sys_page_alloc(0, addr, PTE_W|PTE_U|PTE_P);
    if ((r = ide_read(blockno * BLKSECTS, addr, BLKSECTS)) < 0)
        panic("ide_read: %e", r);

    // Clear the dirty bit for the disk block page since we just read the
    // block from disk
    if ((r = sys_page_map(0, addr, 0, addr, uvpt[PGNUM(addr)] & PTE_SYSCALL)) < 0)
        panic("in bc_pgfault, sys_page_map: %e", r);

    // Check that the block we read was allocated. (exercise for
    // the reader: why do we do this *after* reading the block
    // in?)
    if (bitmap && block_is_free(blockno))
        panic("reading free block %08x
", blockno);
}

flush_block()將一個block寫入磁碟。flush_block()不需要做任何操作，如果block沒有在記憶體或者block沒有被寫過。可以通過PTE的PTE_D位判斷該block有沒有被寫過。

void
flush_block(void *addr)
{
    uint32_t blockno = ((uint32_t)addr - DISKMAP) / BLKSIZE;
    int r;
    if (addr < (void*)DISKMAP || addr >= (void*)(DISKMAP + DISKSIZE))
        panic("flush_block of bad va %08x", addr);

    // LAB 5: Your code here.
    addr = ROUNDDOWN(addr, PGSIZE);
    if (!va_is_mapped(addr) || !va_is_dirty(addr)) {        //如果addr還沒有對映過或者該頁載入到記憶體後還沒有被寫過，不用做任何事
        return;
    }
    if ((r = ide_write(blockno * BLKSECTS, addr, BLKSECTS)) < 0) {      //寫回到磁碟
        panic("in flush_block, ide_write(): %e", r);
    }
    if ((r = sys_page_map(0, addr, 0, addr, uvpt[PGNUM(addr)] & PTE_SYSCALL)) < 0)  //清空PTE_D位
        panic("in bc_pgfault, sys_page_map: %e", r);
}

fs/fs.c中的fs_init()將會初始化super和bitmap全域性指標變數。至此對於檔案系統程式只要訪問虛擬記憶體[DISKMAP, DISKMAP+DISKMAX]範圍中的地址addr，就會訪問到磁碟((uint32_t)addr – DISKMAP) / BLKSIZE block中的資料。如果block資料還沒複製到記憶體物理頁，bc_pgfault()缺頁處理函式會將資料從磁碟拷貝到某個物理頁，並且將addr對映到該物理頁。這樣FS程式只需要訪問虛擬地址空間[DISKMAP, DISKMAP+DISKMAX]就能訪問磁碟了。
JOS fs程式虛擬地址空間和磁碟關係

The Block Bitmap

fs_init()中已經初始化了bitmap，我們能通過bitmap訪問磁碟的block 1，也就是位陣列，每一位代表一個block，1表示該block未被使用，0表示已被使用。我們實現一系列管理函式來管理這個位陣列。

Exercise 3

實現fs/fs.c中的alloc_block()，該函式搜尋bitmap位陣列，返回一個未使用的block，並將其標記為已使用。

alloc_block(void)
{
    // The bitmap consists of one or more blocks.  A single bitmap block
    // contains the in-use bits for BLKBITSIZE blocks.  There are
    // super->s_nblocks blocks in the disk altogether.

    // LAB 5: Your code here.
    uint32_t bmpblock_start = 2;
    for (uint32_t blockno = 0; blockno < super->s_nblocks; blockno++) {
        if (block_is_free(blockno)) {                   //搜尋free的block
            bitmap[blockno / 32] &= ~(1 << (blockno % 32));     //標記為已使用
            flush_block(diskaddr(bmpblock_start + (blockno / 32) / NINDIRECT)); //將剛剛修改的bitmap block寫到磁碟中
            return blockno;
        }
    }
    
    return -E_NO_DISK;
}

File Operations

fs/fs.c檔案提供了一系列函式用於管理File結構，掃描和管理目錄檔案，解析絕對路徑。
基本的檔案系統操作：

file_block_walk(struct File *f, uint32_t filebno, uint32_t **ppdiskbno, bool alloc)：查詢f指向檔案結構的第filebno個block的儲存地址，儲存到ppdiskbno中。如果f->f_indirect還沒有分配，且alloc為真，那麼將分配要給新的block作為該檔案的f->f_indirect。類比頁表管理的pgdir_walk()。
file_get_block(struct File *f, uint32_t filebno, char **blk)：該函式查詢檔案第filebno個block對應的虛擬地址addr，將其儲存到blk地址處。
walk_path(const char *path, struct File **pdir, struct File **pf, char *lastelem)：解析路徑path，填充pdir和pf地址處的File結構。比如/aa/bb/cc.c那麼pdir指向代表bb目錄的File結構，pf指向代表cc.c檔案的File結構。又比如/aa/bb/cc.c，但是cc.c此時還不存在，那麼pdir依舊指向代表bb目錄的File結構，但是pf地址處應該為0，lastelem指向的字串應該是cc.c。
dir_lookup(struct File *dir, const char *name, struct File **file)：該函式查詢dir指向的檔案內容，尋找File.name為name的File結構，並儲存到file地址處。
dir_alloc_file(struct File *dir, struct File **file)：在dir目錄檔案的內容中尋找一個未被使用的File結構，將其地址儲存到file的地址處。

檔案操作：

file_create(const char *path, struct File **pf)：建立path，如果建立成功pf指向新建立的File指標。
file_open(const char *path, struct File **pf)：尋找path對應的File結構地址，儲存到pf地址處。
file_read(struct File *f, void *buf, size_t count, off_t offset)：從檔案f中的offset位元組處讀取count位元組到buf處。
file_write(struct File *f, const void *buf, size_t count, off_t offset)：將buf處的count位元組寫到檔案f的offset開始的位置。

Exercise 4

實現file_block_walk()和file_get_block()。
file_block_walk():

static int
file_block_walk(struct File *f, uint32_t filebno, uint32_t **ppdiskbno, bool alloc)
{
    // LAB 5: Your code here.
    int bn;
    uint32_t *indirects;
    if (filebno >= NDIRECT + NINDIRECT)
        return -E_INVAL;

    if (filebno < NDIRECT) {
        *ppdiskbno = &(f->f_direct[filebno]);
    } else {
        if (f->f_indirect) {
            indirects = diskaddr(f->f_indirect);
            *ppdiskbno = &(indirects[filebno - NDIRECT]);
        } else {
            if (!alloc)
                return -E_NOT_FOUND;
            if ((bn = alloc_block()) < 0)
                return bn;
            f->f_indirect = bn;
            flush_block(diskaddr(bn));
            indirects = diskaddr(bn);
            *ppdiskbno = &(indirects[filebno - NDIRECT]);
        }
    }

    return 0;
}

file_get_block():

 int
file_get_block(struct File *f, uint32_t filebno, char **blk)
{
       // LAB 5: Your code here.
        int r;
        uint32_t *pdiskbno;
        if ((r = file_block_walk(f, filebno, &pdiskbno, true)) < 0) {
            return r;
        }

        int bn;
        if (*pdiskbno == 0) {           //此時*pdiskbno儲存著檔案f第filebno塊block的索引
            if ((bn = alloc_block()) < 0) {
                return bn;
            }
            *pdiskbno = bn;
            flush_block(diskaddr(bn));
        }
        *blk = diskaddr(*pdiskbno);
        return 0;
}

踩坑記錄

包括後面的Exercise 10都遇到相同的問題。
寫完Exercise4後執行make grade，無法通過測試，提示”file_get_block returned wrong data”。在實驗目錄下搜尋該字串，發現是在fs/test.c檔案中，

    if ((r = file_open("/newmotd", &f)) < 0)
        panic("file_open /newmotd: %e", r);
    if ((r = file_get_block(f, 0, &blk)) < 0)
        panic("file_get_block: %e", r);
    if (strcmp(blk, msg) != 0)
        panic("file_get_block returned wrong data");

也就是說只有當blk和msg指向的字串不一樣時才會報這個錯，msg定義在fs/test.c中static char *msg = "This is the NEW message of the day!

"。blk指向/newmotd檔案的開頭。/newmotd檔案在fs/newmotd中，開啟後發現內容也是”This is the NEW message of the day!”。照理來說應該沒有問題啊。但是通過xxd fs/newmotd指令檢視檔案二進位制發現如下:

1. 00000000: 5468 6973 2069 7320 7468 6520 4e45 5720  This is the NEW
2. 00000010: 6d65 7373 6167 6520 6f66 2074 6865 2064  message of the d
3. 00000020: 6179 210d 0a0d 0a                        ay!....

最後的兩個換行符是0d0a 0d0a，也就是

。但是msg中末尾卻是

。
應該是windows上的換行符，不知道為什麼fs/newmotd中的換行符居然是windows上的換行符。找到問題了所在，我們用vim開啟fs/newmotd，然後使用命令set ff=unix，儲存退出。現在再用xxd fs/newmotd指令檢視檔案二進位制發現，換行符已經變成了
（0x0a）。這樣就可以通過該實驗了。在Exercise 10中同樣需要將fs資料夾下的lorem，script，testshell.sh檔案中的換行符轉成UNIX下的。

The file system interface

到目前為止，檔案系統程式已經能提供各種操作檔案的功能了，但是其他使用者程式不能直接呼叫這些函式。我們通過程式間函式呼叫(RPC)對其它程式提供檔案系統服務。RPC機制原理如下：

      Regular env           FS env
   +---------------+   +---------------+
   |      read     |   |   file_read   |
   |   (lib/fd.c)  |   |   (fs/fs.c)   |
...|.......|.......|...|.......^.......|...............
   |       v       |   |       |       | RPC mechanism
   |  devfile_read |   |  serve_read   |
   |  (lib/file.c) |   |  (fs/serv.c)  |
   |       |       |   |       ^       |
   |       v       |   |       |       |
   |     fsipc     |   |     serve     |
   |  (lib/file.c) |   |  (fs/serv.c)  |
   |       |       |   |       ^       |
   |       v       |   |       |       |
   |   ipc_send    |   |   ipc_recv    |
   |       |       |   |       ^       |
   +-------|-------+   +-------|-------+
           |                   |
           +-------------------+

本質上RPC還是藉助IPC機制實現的，普通程式通過IPC向FS程式間傳送具體操作和運算元據，然後FS程式執行檔案操作，最後又將結果通過IPC返回給普通程式。從上圖中可以看到客戶端的程式碼在lib/fd.c和lib/file.c兩個檔案中。服務端的程式碼在fs/fs.c和fs/serv.c兩個檔案中。
相關資料結構之間的關係可用下圖來表示：檔案系統相關資料結構關係
檔案系統服務端程式碼在fs/serv.c中，serve()中有一個無限迴圈，接收IPC請求，將對應的請求分配到對應的處理函式，然後將結果通過IPC傳送回去。
對於客戶端來說：傳送一個32位的值作為請求型別，傳送一個Fsipc結構作為請求引數，該資料結構通過IPC的頁共享發給FS程式，在FS程式可以通過訪問fsreq(0x0ffff000)來訪問客戶程式發來的Fsipc結構。
對於服務端來說：FS程式返回一個32位的值作為返回碼，對於FSREQ_READ和FSREQ_STAT這兩種請求型別，還額外通過IPC返回一些資料。

Exercise 5

實現fs/serv.c中的serve_read()。這是服務端也就是FS程式中的函式。直接呼叫更底層的fs/fs.c中的函式來實現。

int
serve_read(envid_t envid, union Fsipc *ipc)
{
    struct Fsreq_read *req = &ipc->read;
    struct Fsret_read *ret = &ipc->readRet;

    if (debug)
        cprintf("serve_read %08x %08x %08x
", envid, req->req_fileid, req->req_n);

    // Lab 5: Your code here:
    struct OpenFile *o;
    int r;
    r = openfile_lookup(envid, req->req_fileid, &o);
    if (r < 0)      //通過fileid找到Openfile結構
        return r;
    if ((r = file_read(o->o_file, ret->ret_buf, req->req_n, o->o_fd->fd_offset)) < 0)   //呼叫fs.c中函式進行真正的讀操作
        return r;
    o->o_fd->fd_offset += r;
    
    return r;
}

Exercise 6

實現fs/serv.c中的serve_write()和lib/file.c中的devfile_write()。
serve_write():

int
serve_write(envid_t envid, struct Fsreq_write *req)
{
    if (debug)
        cprintf("serve_write %08x %08x %08x
", envid, req->req_fileid, req->req_n);

    // LAB 5: Your code here.
    struct OpenFile *o;
    int r;
    if ((r = openfile_lookup(envid, req->req_fileid, &o)) < 0) {
        return r;
    }
    int total = 0;
    while (1) {
        r = file_write(o->o_file, req->req_buf, req->req_n, o->o_fd->fd_offset);
        if (r < 0) return r;
        total += r;
        o->o_fd->fd_offset += r;
        if (req->req_n <= total)
            break;
    }
    return total;
}

devfile_write():客戶端程式函式，包裝一下引數，直接呼叫fsipc()將引數傳送給FS程式處理。

static ssize_t
devfile_write(struct Fd *fd, const void *buf, size_t n)
{
    // Make an FSREQ_WRITE request to the file system server.  Be
    // careful: fsipcbuf.write.req_buf is only so large, but
    // remember that write is always allowed to write *fewer*
    // bytes than requested.
    // LAB 5: Your code here
    int r;
    fsipcbuf.write.req_fileid = fd->fd_file.id;
    fsipcbuf.write.req_n = n;
    memmove(fsipcbuf.write.req_buf, buf, n);
    return fsipc(FSREQ_WRITE, NULL);
}

Spawning Processes

lib/spawn.c中的spawn()建立一個新的程式，從檔案系統載入使用者程式，然後啟動該程式來執行這個程式。spawn()就像UNIX中的fork()後面馬上跟著exec()。
spawn(const char *prog, const char **argv)做如下一系列動作：

從檔案系統開啟prog程式檔案
呼叫系統呼叫sys_exofork()建立一個新的Env結構
呼叫系統呼叫sys_env_set_trapframe()，設定新的Env結構的Trapframe欄位（該欄位包含暫存器資訊）。
根據ELF檔案中program herder，將使用者程式以Segment讀入記憶體，並對映到指定的線性地址處。
呼叫系統呼叫sys_env_set_status()設定新的Env結構狀態為ENV_RUNNABLE。

Exercise 7

實現sys_env_set_trapframe()系統呼叫。

static int
sys_env_set_trapframe(envid_t envid, struct Trapframe *tf)
{
    // LAB 5: Your code here.
    // Remember to check whether the user has supplied us with a good
    // address!
    int r;
    struct Env *e;
    if ((r = envid2env(envid, &e, 1)) < 0) {
        return r;
    }
    tf->tf_eflags = FL_IF;
    tf->tf_eflags &= ~FL_IOPL_MASK;         //普通程式不能有IO許可權
    tf->tf_cs = GD_UT | 3;
    e->env_tf = *tf;
    return 0;
}

UNIX檔案描述符是一個大的概念，包含pipe，控制檯I/O。在JOS中每種裝置對應一個struct Dev結構，該結構包含函式指標，指向真正實現讀寫操作的函式。
lib/fd.c檔案實現了UNIX檔案描述符介面，但大部分函式都是簡單對struct Dev結構指向的函式的包裝。

我們希望共享檔案描述符，JOS中定義PTE新的標誌位PTE_SHARE，如果有個頁表條目的PTE_SHARE標誌位為1，那麼這個PTE在fork()和spawn()中將被直接拷貝到子程式頁表，從而讓父程式和子程式共享相同的頁對映關係，從而達到父子程式共享檔案描述符的目的。

Exercise 8

修改lib/fork.c中的duppage()，使之正確處理有PTE_SHARE標誌的頁表條目。同時實現lib/spawn.c中的copy_shared_pages()。

static int
duppage(envid_t envid, unsigned pn)
{
    int r;

    // LAB 4: Your code here.
    void *addr = (void*) (pn * PGSIZE);
    if (uvpt[pn] & PTE_SHARE) {
        sys_page_map(0, addr, envid, addr, PTE_SYSCALL);        //對於標識為PTE_SHARE的頁，拷貝對映關係，並且兩個程式都有讀寫許可權
    } else if ((uvpt[pn] & PTE_W) || (uvpt[pn] & PTE_COW)) { //對於UTOP以下的可寫的或者寫時拷貝的頁，拷貝對映關係的同時，需要同時標記當前程式和子程式的頁表項為PTE_COW
        if ((r = sys_page_map(0, addr, envid, addr, PTE_COW|PTE_U|PTE_P)) < 0)
            panic("sys_page_map：%e", r);
        if ((r = sys_page_map(0, addr, 0, addr, PTE_COW|PTE_U|PTE_P)) < 0)
            panic("sys_page_map：%e", r);
    } else {
        sys_page_map(0, addr, envid, addr, PTE_U|PTE_P);    //對於只讀的頁，只需要拷貝對映關係即可
    }
    return 0;
}

copy_shared_pages()

static int
copy_shared_pages(envid_t child)
{
    // LAB 5: Your code here.
    uintptr_t addr;
    for (addr = 0; addr < UTOP; addr += PGSIZE) {
        if ((uvpd[PDX(addr)] & PTE_P) && (uvpt[PGNUM(addr)] & PTE_P) &&
                (uvpt[PGNUM(addr)] & PTE_U) && (uvpt[PGNUM(addr)] & PTE_SHARE)) {
            sys_page_map(0, (void*)addr, child, (void*)addr, (uvpt[PGNUM(addr)] & PTE_SYSCALL));
        }
    }
    return 0;
}

The Shell

執行make run-icode，將會執行user/icode，user/icode又會執行inti，然後會spawn sh。然後就能執行如下指令：

    echo hello world | cat
    cat lorem |cat
    cat lorem |num
    cat lorem |num |num |num |num |num
    lsfd

Exercise 10

目前shell還不支援IO重定向，修改user/sh.c，增加IO該功能。

runcmd(char* s) {
            ...
            if ((fd = open(t, O_RDONLY)) < 0) {
                cprintf("open %s for write: %e", t, fd);
                exit();
            }
            if (fd != 0) {
                dup(fd, 0);
                close(fd);
            }
            ...
}

總結回顧

構建檔案系統：
1. 引入一個檔案系統程式（FS程式）的特殊程式，該程式提供檔案操作的介面。具體實現在fs/bc.c，fs/fs.c，fs/serv.c中。
2. 建立RPC機制，客戶端程式向FS程式傳送請求，FS程式真正執行檔案操作。客戶端程式的實現在lib/file.c，lib/fd.c中。客戶端程式和FS程式互動可總結為下圖：
3. 更高階的抽象，引入檔案描述符。通過檔案描述符這一層抽象就可以將控制檯，pipe，普通檔案，統統按照檔案來對待。檔案描述符和pipe的原理總結如下：
支援從磁碟載入程式並執行。實現spawn()，該函式建立一個新的程式，並從磁碟載入程式執行，類似UNIX中的fork()後執行exec()。

具體程式碼在：https://github.com/gatsbyd/mit_6.828_jos

如有錯誤，歡迎指正(*^_^*)：
15313676365

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