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Part C：抢占式多任务和历程间通信（IPC

lab4到目前为止，我们可以或许启动多个CPU，让多个CPU同时处置惩罚多个历程。实现了中断处置惩罚，并且实现了用户级页面故障机制以及写时复制fork。
但是，我们的历程调度不是抢占式的，现在每个历程只有在发生中断的时间，才会被调度（调用shed_yeild），这样就有可能会有历程一直占用CPU不放。我们希望可以或许让各个历程平分CPU，在各个时间片上处置惩罚自己的任务。
于是实验室 4 的最后一部门，我们的任务就是修改内核，实现抢占式多历程调度，并实现历程间通信机制（IPC）。

1. 时钟中断和抢占

我们为什么必要抢占式的历程调度？如果有历程一直占用CPU会是什么环境，user/spin.c就是个例子。看看 user/spin.c

尝试在命令行跑 make run-spin 会发现，父历程fork之后再也无法执行了。这是因为我们的内核目前还没有从未完成的历程中抢回控制的能力。
那时钟中断去哪了呢？

手册：
与 xv6 Unix 相比，我们在 JOS 中做了一个关键的简化。在内核中，外部装备中断始终处于禁用状态（与 xv6 一样，在用户空间中处于启用状态）。外部中断由 %eflags 寄存器（参见 inc/mmu.h）的 FL_IF 标志位控制。该位被设置时，外部中断被启用。 虽然可以通过多种方式修改该位，但为了简化操作，我们将仅通过在进入和离开用户模式时保存和恢复 %eflags 寄存器的过程来处置惩罚它。
您必须确保在用户环境中运行时设置 FL_IF 标志，以便在中断发生时将其转达给处置惩罚器，并由您的中断代码进行处置惩罚。 否则，中断将被屏蔽或忽略，直到中断被重新启用。我们在启动加载程序的第一条指令中就屏蔽了中断，到目前为止，我们还从未重新启用过中断。
我们在启动加载程序的第一条指令中就屏蔽了中断，到目前为止，我们还从未重新启用过中断。
接下来的任务，我们要美满外部中断的管理，

1.1 中断管理

外部中断（即装备中断）称为 IRQ。有 16 个可能的 IRQ，编号从 0 到 15。从 IRQ 编号到 IDT 条目之间的映射关系并不固定。picirq.c 中的 pic_init 将 IRQ 0-15 映射到 IDT 条目 IRQ_OFFSET 至 IRQ_OFFSET+15。
在 inc/trap.h 中，IRQ_OFFSET 被定义为十进制 32。因此，IDT 项 32-47 对应 IRQ 0-15。例如，时钟中断是 IRQ 0，因此 IDT[IRQ_OFFSET+0]（即 IDT[32]）包含内核中时钟中断处置惩罚程序例程的地点。选择这个 IRQ_OFFSET，是为了避免装备中断与处置惩罚器异常重叠，以免造成混淆。(事实上，在早期运行 MS-DOS 的 PC 中，IRQ_OFFSET 实际上为 0，这确实造成了处置惩罚硬件中断和处置惩罚处置惩罚器异常之间的大量混淆！）。
与 xv6 Unix 相比，我们在 JOS 中做了一个关键的简化。在内核中，外部装备中断始终处于禁用状态（与 xv6 一样，在用户空间中处于启用状态）。外部中断由 %eflags 寄存器（参见 inc/mmu.h）的 FL_IF 标志位控制。该位被设置时，外部中断被启用。 虽然可以通过多种方式修改该位，但为了简化操作，我们将仅通过在进入和离开用户模式时保存和恢复 %eflags 寄存器的过程来处置惩罚它。
您必须确保在用户环境中运行时设置 FL_IF 标志，以便在中断发生时将其转达给处置惩罚器，并由您的中断代码进行处置惩罚。 否则，中断将被屏蔽或忽略，直到中断被重新启用。我们在启动加载程序的第一条指令中就屏蔽了中断，到目前为止，我们还从未重新启用过中断。

Exercise 13

1. 练习 13. 修改 kern/trapentry.S 和 kern/trap.c，初始化 IDT 中的相应条目，并为 IRQ 0 至 15 提供处理程序。然后修改 kern/env.c 中 env_alloc() 的代码，以确保用户环境始终在启用中断的情况下运行。
3. 同时取消对 sched_halt() 中 sti 指令的注释，以便空闲的 CPU 能解除中断屏蔽。
5. 在调用硬件中断处理程序时，处理器绝不会推送错误代码。此时，您可能需要重新阅读《80386 参考手册》第 9.2 节或《IA-32 英特尔体系结构软件开发人员手册》第 3 卷第 5.8 节。
7. 完成此练习后，如果使用任何运行时间较长（如自旋）的测试程序运行内核，就会看到内核打印硬件中断的陷阱帧。虽然中断已在处理器中启用，但 JOS 还没有处理它们，所以你会看到它将每个中断错误地归属于当前运行的用户环境，并将其销毁。最终，它应该会用完要销毁的环境，并将其放入监视器中。

复制代码

在 trapentry.S 设置外部中断处置惩罚函数的入口点：

1. # 外部中断的入口点
2.         TRAPHANDLER_NOEC(irq_error_handler, IRQ_OFFSET+IRQ_ERROR)
3.         TRAPHANDLER_NOEC(irq_ide_handler, IRQ_OFFSET+IRQ_IDE)
4.         TRAPHANDLER_NOEC(irq_kbd_handler, IRQ_OFFSET+IRQ_KBD)
5.         TRAPHANDLER_NOEC(irq_serial_handler, IRQ_OFFSET+IRQ_SERIAL)
6.         TRAPHANDLER_NOEC(irq_spurious_handler, IRQ_OFFSET+IRQ_SPURIOUS)
7.         TRAPHANDLER_NOEC(irq_timer_handler, IRQ_OFFSET+IRQ_TIMER)

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在 trap.c:trap_init() 中定义外部装备中断的handler

1.         //初始化外部中断的中断向量
2.         void irq_error_handler();
3.         void irq_kbd_handler();
4.         void irq_ide_handler();
5.         void irq_timer_handler();
6.         void irq_spurious_handler();
7.         void irq_serial_handler();
9.         SETGATE(idt[IRQ_OFFSET + IRQ_ERROR], 0, GD_KT, irq_error_handler, 3);
10.         SETGATE(idt[IRQ_OFFSET + IRQ_IDE], 0, GD_KT, irq_ide_handler, 3);
11.         SETGATE(idt[IRQ_OFFSET + IRQ_KBD], 0, GD_KT, irq_kbd_handler, 3);
12.         SETGATE(idt[IRQ_OFFSET + IRQ_SERIAL], 0, GD_KT, irq_serial_handler, 3);
13.         SETGATE(idt[IRQ_OFFSET + IRQ_SPURIOUS], 0, GD_KT, irq_spurious_handler, 3);
14.         SETGATE(idt[IRQ_OFFSET + IRQ_TIMER], 0, GD_KT, irq_timer_handler, 3);

复制代码

修改 env.c:env_alloc，在用户环境运行前开启外部装备中断，在注释提示处添加语句：

1. // Enable interrupts while in user mode.
2.         // LAB 4: Your code here.
3.         // 开启用户环境的外部设备中断
4.         e->env_tf.tf_eflags |= FL_IF;

复制代码

修改 kern/sched.c:sched_halt，将提示处的sti语句注释取消掉，sti 指令是开中断，如手册中所述，我们在 bootloader 中第一条指令 cli 就屏蔽了外部中断，到目前为止还没有重新开启外部中断。
sched_halt 这个让CPU陷入自旋，等候被timer打断。不开外部中断是不可能做到被抢断的。

完成了这些我们再次尝试 make run-spin
1.2 处置惩罚时钟中断

在 user/spin 程序中，子环境首次运行后，只是在循环中 spin，内核再也无法控制。
我们必要对硬件进行编程，使其周期性地产生时钟中断，从而迫使控制权回到内核，在内核中我们可以将控制权切换到不同的用户环境。
lapic_init 和 pic_init中设置了时钟和中断控制器以产生中断。现在我们必要编写代码来处置惩罚这些中断。
Exercise 14

1. 练习 14. 修改内核的 `trap_dispatch()` 函数，使其在发生时钟中断时调用 `sched_yield()`，查找并运行不同的环境。
3. 现在您应该可以让用户/自旋测试正常工作了：父环境应该分叉子环境，向其执行几次 `sys_yield()`，但每次都会在一个时间片后重新获得 CPU 的控制权，最后杀死子环境并优雅地终止。

复制代码

目前我们已经在中断向量表中添加了接受timer信号的中断描述符，timer中断发生后，控制流会来到trap，然后发往 trap_dispatch，但是 trap_dispatch 中还没有对应的hander策应，所以现在要在 trap_dispatch 中处置惩罚timer的中断信号。

1.         // Handle clock interrupts. Don't forget to acknowledge the
2.         // interrupt using lapic_eoi() before calling the scheduler!
3.         // LAB 4: Your code here.
4.         if(tf->tf_trapno == IRQ_OFFSET + IRQ_TIMER)
5.         {
6.                 cprintf("Timer interrupt on irq 0\n");
7.                 lapic_eoi();
8.                 sched_yield();
9.         }

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lapic_eoi() 函数的作用是开启IF标志位，吸取外部中断，具体原理：

在吸取到中断请求并处置惩罚完成后，向本地高级可编程中断控制器（Local Advanced Programmable Interrupt Controller, LAPIC）发送一个 EOI 命令，通知 LAPIC 中断处置惩罚已完成。这是为了释放中断控制器的资源，以便处置惩罚下一个中断。

但是好奇怪，进入trapentry.S 时间，从来没见过我们自动清零IF啊，为什么CPU自动关闭吸取外部中断了呢？
翻了一下386手册，此中提到

中断门和陷阱门的区别在于对 IF（中断启用标志）的影响。矢量通过中断门的中断会重置 IF，从而防止其他中断干扰当前中断处置惩罚程序。随后的 IRET 指令将 IF 恢复为堆栈上 EFLAGS 映像中的值。通过陷阱门的中断不会改变 IF。

功能上的区别是这样，那格式上呢？

我们在trap_init 设置的满是中断门

这个时间我们再次尝试 make run-spin ，会发现程序可以正常执行了：

2. 历程间通信（IPC）

我们一直在关注操作体系的隔离功能，即它能让人产生一种错觉，以为每个程序都拥有一台独享的机器。操作体系的另一项紧张功能是允许程序在必要时相互通信。让程序与其他程序进行交互是一项非常强盛的功能。Unix 管道模型就是一个典型的例子。
历程间通信有许多模型。时至本日，人们仍在争论哪种模式最好。我们不讨论这个题目。相反，我们将实现一个简朴的 IPC 机制，然后进行尝试。
2.1 JOS 的历程间通信

JOS已经实现了几个额外的JOS内核体系调用，它们共同提供了一个简朴的历程间通信机制。
用户必要实现两个体系调用， sys_ipc_recv 和 sys_ipc_try_send 。
然后我们将实现两个库包装器 ipc_recv 和 ipc_send 。（话说，我们已经见识过了这种包装器，比如 set_pgfault_handler 是 sys_env_set_pgfault_upcall 的包装器，在其包装下，为我们简化了用户异常栈的清理和 trap-time 状态的恢复工作）
用户环境可以利用JOS的IPC机制相互发送的“消息”由两个部门组成:单个32位值和可选的单个页映射。允许历程以消息的形式转达页映射，这提供了一种高效的方式来传输比单个32位整数所能容纳的更多的数据，还允许历程轻松地建立共享内存。
2.2 发送和吸取消息

为吸取消息，历程调用 sys_ipc_recv 。该体系调用会挂起当前历程，直到收到消息后才再次运行。
当一个历程等候吸取消息时，任何其他历程都可以向它发送消息——不仅仅是特定的历程，也不仅仅是与吸取历程有父/子关系的历程。
换句话说，我们在 Part A 实现的权限检查不实用于IPC，因为IPC体系调用经过了经心计划，是“安全的”:一个历程不会仅仅通过向它发送消息就导致另一个历程故障(除非目标历程也有bug)。
要尝试发送一个值，历程会调用 sys_ipc_try_send，指定接受者的历程ID和要发送的值。
如果目标历程上正在吸取（它调用了 sys_ipc_recv，但还没有得到值），那么调用者这边的 send 就会发送信息，并返回 0。否则，send 返回 -E_IPC_NOT_RECV 表现目标历程当前不希望收到值。
用户空间中的库函数 ipc_recv 负责调用 sys_ipc_recv，然后在当前环境的 struct Env 中查找吸取到的值的信息。
类似地，库函数 ipc_send 将负责重复调用 sys_ipc_try_send ，直到发送成功。
2.3 发送内存页

当历程利用有效的 dstva 参数（低于 UTOP）调用 sys_ipc_recv，即表明历程愿意吸取页面映射。
如果发送方发送了一个页面，那么该页面应映射到吸取方地点空间中的 dstva 处。
如果吸取方已经在 dstva 处映射了一个页面，那么之前的页面将被取消映射。
当环境以有效的 srcva（低于 UTOP）调用 sys_ipc_try_send，这意味着发送方希望将当前映射在 srcva 上的页面发送给吸取方，并且权限为 perm。IPC 成功后，发送方在其地点空间中保留了位于 srcva 的页面的原始映射，但吸取方也在其地点空间中获得了位于吸取方最初指定的 dstva 的同一物理页面的映射。因此，该页面成为发送方和吸取方共享的页面。
如果发送方或吸取方都没有表现应该传输页面，那么就不会传输页面。在任何 IPC 之后，内核都会将吸取方 Env 结构中的新字段 env_ipc_perm 设置为所吸取页面的权限，如果没有吸取页面，则设置为 0。
Exercise 15 实现IPC

1. 练习 15. 执行 `kern/syscall.c` 中的 `sys_ipc_recv` 和 `sys_ipc_try_send`。
2. 在执行之前，请阅读有关这两个例程的注释，因为它们必须协同工作。
3. 在这些例程中调用 `envid2env` 时，应将 `checkperm` 标志设置为 0，这意味着任何环境都可以向任何其他环境发送 IPC 消息，内核除了验证目标 `envid` 是否有效外，不会进行任何特殊的权限检查。
5. 然后在 `lib/ipc.c` 中实现 `ipc_recv` 和 `ipc_send` 函数。
7. 使用 `user/pingpong` 和 `user/primes` 函数测试你的 IPC 机制。`user/primes` 会为每个质数生成一个新环境，直到 JOS 用完环境为止。阅读 user/primes.c，了解所有分叉和 IPC 的幕后工作，你可能会觉得很有趣。

复制代码

在 kern/syscall.c 中实现 sys_ipc_try_send 。
按照注释进行一系列检查后将 srcva 所在的 pg ，映射到 dstva 所在的地点。

1. // 尝试将 “value ”发送到目标环境 “envid”。
2. // 如果 srcva < UTOP，则同时发送当前映射到 “srcva ”的页面，以便接收者获得同一页面的重复映射。
3. // 如果目标没有被阻塞，正在等待 IPC，则发送失败，返回值为 -E_IPC_NOT_RECV。
4. // 发送失败的原因还包括下面列出的其他原因。
5. // 否则，发送成功，目标的 ipc 字段更新如下：
6. // env_ipc_recving 设置为 0 以阻止今后的发送；
7. // env_ipc_from 设置为发送的 envid；
8. // env_ipc_value 设置为参数 “value”；
9. // 如果传输了页面，env_ipc_perm 设置为 “perm”，否则为 0。
10. // 目标环境再次被标记为可运行，返回 0。
11. // 从暂停的 sys_ipc_recv 系统调用中返回 0。 (提示：如果
12. // sys_ipc_recv 函数真的会返回吗？）
13. //
14. // 如果发送方想发送页面，但接收方没有要求发送，则不会传输页面映射，但也不会发生错误。
15. // 只有在没有错误发生时，ipc 才会发生。
16. //
17. // 成功时返回 0，错误时返回 <0。
18. // 错误是
19. // -E_BAD_ENV 如果环境 envid 当前不存在。
20. // （无需检查权限。）
21. // -E_IPC_NOT_RECV 如果 envid 当前未在 sys_IPC_recv 中阻塞、
22. // 或其他环境先发送。
23. // -E_INVAL 如果 srcva < UTOP 但 srcva 不是页面对齐的。
24. // -E_INVAL 如果 srcva < UTOP 并且 perm 不合适
25. // （参见 sys_page_alloc）。
26. // -E_INVAL 如果 srcva < UTOP 但 srcva 没有映射到调用者的 // 地址空间。
27. // 地址空间。
28. // -E_INVAL 如果（perm & PTE_W），但 srcva 在 // 当前环境的地址空间中是只读的。
29. // 当前环境的地址空间中是只读的。
30. // -E_NO_MEM 如果没有足够的内存将 srcva 映射到 envid 的 // 地址空间。
31. // 地址空间。
32. static int
33. sys_ipc_try_send(envid_t envid, uint32_t value, void *srcva, unsigned perm)
34. {
35.         // LAB 4: Your code here.
36.         // panic("sys_ipc_try_send not implemented");
37.         int r;
38.         struct Env * env;
39.         if((r = envid2env(envid, &env, 0))< 0){
40.                 return -E_BAD_ENV;
41.         }
43.         if(env->env_ipc_recving == 0){
44.                 return -E_IPC_NOT_RECV;
45.         }
47.         if (srcva < (void*)UTOP) {
48.                 // 获取物理页
49.                 pte_t *pte;
50.                 struct PageInfo *pg = page_lookup(curenv->env_pgdir, srcva, &pte);
52.                 // 检查 srcva 是否 page-aligned.
53.                 if(srcva != ROUNDDOWN(srcva, PGSIZE)){
54.                         return -E_INVAL;
55.                 }
56.                 // 检查 perm 是否合规
57.                 if((*pte & perm & PTE_SYSCALL)!= (perm & PTE_SYSCALL)){
58.                         return -E_INVAL;
59.                 }        
61.                 // 如果来源环境没有映射pg页
62.                 if(!pg){
63.                         return -E_INVAL;
64.                 }
65.                 // 如果perm要求写权限，但是srcva没有写权限
66.                 if ((perm & PTE_W) && !(*pte & PTE_W)){
67.                         return -E_INVAL;
68.                 }
69.                 // 如果目标环境以有效dstva参数调用 sys_ipc_recv，说明目标环境愿意接受页面映射
70.                 if (env->env_ipc_dstva < (void*)UTOP) {
71.                         // 将当前环境的 pg 页 映射到目标环境的dstva上
72.                         r = page_insert(env->env_pgdir, pg, env->env_ipc_dstva, perm);
73.                         if(r<0){
74.                                 return -E_NO_MEM;
75.                         }
76.                         env->env_ipc_perm = perm;
77.                 }
78.         }
79.         // 标记目标环境为 未准备接收
80.         env->env_ipc_recving = 0;
81.         // 将目标环境的 IPC发送方 设置为当前环境
82.         env->env_ipc_from = curenv->env_id;
83.         // 发送 message 的 value
84.         env->env_ipc_value = value;
85.         // 设置目标环境为可运行
86.         env->env_status = ENV_RUNNABLE;
87.         // 设置目标环境的eax
88.         env->env_tf.tf_regs.reg_eax = 0;
89.         return 0;
90. }

复制代码

sys_ipc_recv 则是设置env的与IPC相关的成员，关键是env_ipc_recving=1，标志为准备接受数据。
然后调用 sched_yield 交出cpu，等候sender发送数据

1. // 阻塞，直到值准备就绪。
2. // 使用 struct Env 的 env_ipc_recving 和 env_ipc_dstva 字段记录要接收的信息，
3. // 标记自己不可运行，然后放弃 CPU。
4. //
5. // 如果'dstva'<UTOP，则表示愿意接收一页数据。
6. // 'dstva'是虚拟地址，发送的页面应映射到该地址。
7. //
8. // 该函数仅在出错时返回，但系统调用最终会在成功时返回 0。
9. // 出错时返回 <0。 错误包括
10. // -E_INVAL 如果 dstva < UTOP 但 dstva 不是页面对齐的。
11. static int
12. sys_ipc_recv(void *dstva)
13. {
14.         // LAB 4: Your code here.
15.         // panic("sys_ipc_recv not implemented");
16.         if ((uintptr_t)dstva < UTOP && PGOFF(dstva) != 0){
17.                 return -E_INVAL;
18.         }
19.         // 标识正在等待接收消息
20.         curenv->env_ipc_recving = 1;
21.         // 记录想要映射页的虚拟地址
22.         curenv->env_ipc_dstva = dstva;
23.         // 清空记录的发送者信息
24.         curenv->env_ipc_value = 0;
25.         curenv->env_ipc_from = 0;
26.         curenv->env_ipc_perm = 0;
28.         // 设置 Env 状态，在env_ipc_recving被改变之前，不再被唤醒
29.         curenv->env_status = ENV_NOT_RUNNABLE;
31.         // 交出控制权，等待数据输入
32.         sched_yield();
33.        
34.         return 0;
35. }

复制代码

然后不要忘了在 syscall 的 switch 中加上相关调用的分支：

1.                 case SYS_ipc_try_send:
2.                         ret = sys_ipc_try_send((envid_t) a1, (uint32_t) a2, (void *) a3, (unsigned int) a4);
3.                         return ret;
4.                 case SYS_ipc_recv:
5.                         ret = sys_ipc_recv((void*)(a1));
6.                         return ret;

复制代码

接着去用户的lib/ipc.c 中实现相应库函数。

1. // 通过 IPC 接收并返回值。
2. // 如果 “pg ”为非空，则发送方发送的任何页面都将映射到该地址。
3. // 如果 “from_env_store ”为非空，则将 IPC 发送方的 envid 保存在 *from_env_store 中。
4. // 如果 “perm_store ”为非空，则在 *perm_store 中存储 IPC 发送方的页面权限（如果页面已成功传输到 “pg”，则该值为非零）。
5. // 如果系统调用失败，则在 *fromenv 和 *perm（如果它们非空）中存储 0，并返回错误信息。
6. // 否则，返回发送者发送的值
7. //
8. // 提示
9. // 使用 “thisenv ”发现值和发送者。
10. // 如果'pg'为空，则向 sys_ipc_recv 传递一个它可以理解为 “无页面 ”的值。
11. // 表示 “无页面”。 (零不是正确的值，因为这是
12. // 一个完全有效的页面映射位置）。
13. int32_t
14. ipc_recv(envid_t *from_env_store, void *pg, int *perm_store)
15. {
16.         // LAB 4: Your code here.
17.         // panic("ipc_recv not implemented");
18.         // 检查pg是否为空
19.         if(pg == NULL)
20.         {
21.                 pg=(void *) -1;
22.         }
23.         //接收 message
24.         int r = sys_ipc_recv(pg);
25.         if(r<0)
26.         {
27.                 if(from_env_store) *from_env_store = 0;
28.                 if(perm_store) *perm_store = 0;
29.                 return r;
30.         }
31.         // 保存发送者的envid
32.         if(from_env_store) *from_env_store = thisenv->env_ipc_from;
33.         // 保存发送来的页面的权限
34.         if(perm_store) *perm_store = thisenv->env_ipc_perm;
35.         // 返回message的value
36.         return thisenv->env_ipc_value;
37. }
39. // 将'val'（如果'pg'非空，则将'pg'与'perm'一起）发送到'toenv'。
40. // 该函数会不断尝试，直到成功为止。
41. // 如果出现除 -E_IPC_NOT_RECV 以外的任何错误，它都会 panic()。
42. //
43. // 提示
44. // 使用 sys_yield()对 CPU 更友好。
45. // 如果 “pg ”为空，则向 sys_ipc_try_send 传递一个它能理解为 “无页面 ”的值。
46. // 表示 “无页面”。 (零值并不合适）。
47. void
48. ipc_send(envid_t to_env, uint32_t val, void *pg, int perm)
49. {
50.         // LAB 4: Your code here.
51.         // panic("ipc_send not implemented");
52.         // 如果pg为NULL， 要提供给sys_ipc_try_send一个能表达“no page”的值，0是有效的地址
53.         if(pg==NULL)
54.         {
55.                 pg = (void *)-1;
56.         }
57.         int r;
58.         //不停尝试发送消息直到成功
59.         while(1)
60.         {
61.                 r = sys_ipc_try_send(to_env, val, pg, perm);
62.                 if (r == 0) {                //发送成功
63.                         return;
64.                 } else if (r == -E_IPC_NOT_RECV) {        //接收环境未准备接收
65.                         sys_yield();
66.                 }else{
67.                         panic("ipc_send() fault:%e\n", r);
68.                 }
69.         }
70. }

复制代码

lab4 完成

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