xv6实现内存延迟分配

xv6-lab：lazy page allocation

操作系统可以利用页表硬件的一种巧妙技巧就是延迟分配（lazy allocation）用户空间堆内存。在 xv6 中，应用程序通过 sbrk() 系统调用向内核请求堆内存。在原来的 xv6 内核中，sbrk() 会立即分配物理内存，并将其映射到进程的虚拟地址空间中。

但是，当程序请求较大内存时，这种方式会耗费较长时间。我们需要等待sbrk()系统调用使用kalloc()分配完物理页框，然后调用mappages()，更新每级页表的条目，如果分配的内存很大的话会导致程序运行在这里的时间很长，举个例子，一个1GB的内存由 262,144 个 4096 字节的页面组成。

此时我们可以采取延迟分配的技术来加速物理内存的分配，当调用 sbrk() 分配内存时，内核并不立即分配物理内存，而是只记录哪些用户地址被分配了，同时，在用户页表中将这些地址标记为无效，当进程第一次尝试访问某个尚未映射的延迟分配页面时，CPU会触发一个页错误，此时CPU会trap到usertrap()函数中。此时函数会根据尝试trap原因的寄存器的值得知，是缺页错误，所以此时要走对应新添加的延迟分配的分支，之后trapret回用户态之后就可以使用延迟分配的内存了。

这里主要讲思路，代码可以参考这篇博客。

由于延迟分配内存不会在调用sbrk()时分配物理内存并处理映射更新，只需要修改当前进程的内存大小表示逻辑上已经分配了，所以我们需要修改sys_sbrk，使其不再调用 growproc()，而是只修改 p->sz 的值而不分配物理内存。

之后，我们还需要修改usertrap 用户态 trap 处理函数，为缺页异常添加检测，如果为缺页异常（(r_scause() == 13 || r_scause() == 15)），且发生异常的地址是由于懒分配而没有映射的话，就为其分配物理内存，并在页表建立映射。我们可以在xv6的文档中得知异常原因的编号。

在此我们定义了两个函数，uvmlazytouch 函数负责分配实际的物理内存并建立映射。懒分配的内存页在被 touch 后就可以被使用了。uvmshouldtouch 用于检测一个虚拟地址是不是一个需要被 touch 的懒分配内存地址，具体检测的是：处于进程的地址范围之中，不是栈的 guard page，页表项不存在。

这是参考实现：

// kernel/vm.c

// touch a lazy-allocated page so it's mapped to an actual physical page.
void uvmlazytouch(uint64 va) {
  struct proc *p = myproc();
  char *mem = kalloc();
  if(mem == 0) {
    // failed to allocate physical memory
    printf("lazy alloc: out of memory\n");
    p->killed = 1;
  } else {
    memset(mem, 0, PGSIZE);
    if(mappages(p->pagetable, PGROUNDDOWN(va), PGSIZE, (uint64)mem, PTE_W|PTE_X|PTE_R|PTE_U) != 0){
      printf("lazy alloc: failed to map page\n");
      kfree(mem);
      p->killed = 1;
    }
  }
  // printf("lazy alloc: %p, p->sz: %p\n", PGROUNDDOWN(va), p->sz);
}

// whether a page is previously lazy-allocated and needed to be touched before use.
int uvmshouldtouch(uint64 va) {
  pte_t *pte;
  struct proc *p = myproc();
  
  return va < p->sz // within size of memory for the process
    && PGROUNDDOWN(va) != r_sp() // not accessing stack guard page (it shouldn't be mapped)
    && (((pte = walk(p->pagetable, va, 0))==0) || ((*pte & PTE_V)==0)); // page table entry does not exist
}

由于我们现在是延迟分配，在刚分配的时候是没有对应的映射的，所以要把一些原本在遇到无映射地址时会 panic 的函数的行为改为直接忽略这样的地址。因为我们此时的设计就是等到用户使用到这段内存再进行分配，而不是等到内核的一些其他函数在检测页表时，发现页表中建立了无效的映射而报错时崩溃。

这里参考博客修改了uvmummap()：取消虚拟地址映射和uvmcopy()：将父进程的页表以及内存拷贝到子进程这两个函数

此外我们还需要修改copyin和copyout函数，这两个函数在用户空间和内核空间中拷贝数据，此时可能会访问用户空间还未分配的虚拟页。如果目标虚拟页还没有分配物理内存，直接访问会导致缺页异常或出错。所以在真正访问虚拟地址前，先判断是否需要分配物理页，如果需要就分配，保证后续的内存访问是合法的。

举例：用户进程刚刚分配了一块虚拟内存，但还没实际访问。系统调用 write/read 时，内核通过 copyin/copyout 访问这块内存。由于还没分配物理页，uvmshouldtouch 返回 true，uvmlazytouch 负责分配物理页并建立映射。这样 copyin/copyout 就能顺利完成。

完成上述修改之后延迟分配内存的机制就在xv6中实现了。