cow lab finished

cowlab.md

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+# xv6-labs: Copy-On-Write (COW) Fork 实验详细总结
+
+## 实验目标
+
+实现 xv6 操作系统的 COW（写时复制）fork：
+- fork 时父子进程共享物理页，只有在写入时才真正分配和复制物理页。
+- 提高 fork+exec 的效率，减少不必要的内存拷贝。
+
+## 主要实现步骤与详细代码
+
+### 1. 物理页引用计数
+**文件：kernel/kalloc.c**
+- 在文件顶部添加：
+```c
+#define NPAGE ((PHYSTOP - KERNBASE) / PGSIZE)
+static int refcnt[NPAGE];
+static inline int pa2idx(void *pa) { return ((uint64)pa - KERNBASE) / PGSIZE; }
+```
+- kalloc 分配新页时：
+```c
+if(r) {
+  memset((char*)r, 5, PGSIZE);
+  int idx = pa2idx((void*)r);
+  refcnt[idx] = 1;
+}
+```
+- kfree 释放页时：
+```c
+int idx = pa2idx(pa);
+acquire(&kmem.lock);
+if(refcnt[idx] > 1) {
+  refcnt[idx]--;
+  release(&kmem.lock);
+  return;
+}
+refcnt[idx] = 0;
+release(&kmem.lock);
+memset(pa, 1, PGSIZE);
+// ...加入空闲链表...
+```
+- 增加辅助函数：
+```c
+void incref(void *pa) { refcnt[pa2idx(pa)]++; }
+void decref(void *pa) { refcnt[pa2idx(pa)]--; }
+int getref(void *pa) { return refcnt[pa2idx(pa)]; }
+```
+
+### 2. PTE 标记 COW
+**文件：kernel/riscv.h**
+```c
+#define PTE_COW (1L << 8) // 使用RSW位标记COW
+```
+
+### 3. 修改 uvmcopy 实现 COW fork
+**文件：kernel/vm.c**
+- 在文件头部声明：
+```c
+void incref(void *pa);
+```
+- 修改 uvmcopy：
+```c
+int uvmcopy(pagetable_t old, pagetable_t new, uint64 sz) {
+  ...
+  for(i = 0; i < sz; i += PGSIZE){
+    ...
+    pa = PTE2PA(*pte);
+    flags = PTE_FLAGS(*pte);
+    if(flags & PTE_W) {
+      flags = (flags & ~PTE_W) | PTE_COW;
+      *pte = PA2PTE(pa) | flags;
+    }
+    if(mappages(new, i, PGSIZE, pa, flags) != 0){
+      uvmunmap(new, 0, i / PGSIZE, 0);
+      return -1;
+    }
+    incref((void*)pa);
+  }
+  return 0;
+}
+```
+
+### 4. usertrap 处理写页错误
+**文件：kernel/trap.c**
+- 在文件头部声明：
+```c
+void kfree(void *pa);
+void *kalloc(void);
+```
+- 在 usertrap() 添加COW处理：
+```c
+else if((scause == 15 || scause == 13)) { // store/load page fault
+  pte_t *pte = walk(p->pagetable, stval, 0);
+  if(pte && (*pte & PTE_V) && (*pte & PTE_U) && (*pte & PTE_COW)) {
+    uint64 pa = PTE2PA(*pte);
+    char *mem = kalloc();
+    if(mem == 0) {
+      setkilled(p);
+    } else {
+      memmove(mem, (void*)pa, PGSIZE);
+      *pte = PA2PTE(mem) | (PTE_FLAGS(*pte) & ~PTE_COW) | PTE_W;
+      kfree((void*)pa);
+    }
+  } else {
+    setkilled(p);
+  }
+}
+```
+
+### 5. copyout 处理 COW
+**文件：kernel/vm.c**
+- 修改 copyout：
+```c
+if((*pte & PTE_W) == 0) {
+  if((*pte & PTE_COW) != 0) {
+    pa0 = PTE2PA(*pte);
+    char *mem = kalloc();
+    if(mem == 0)
+      return -1;
+    memmove(mem, (void*)pa0, PGSIZE);
+    *pte = PA2PTE(mem) | PTE_FLAGS(*pte) | PTE_W;
+    *pte &= ~PTE_COW;
+    kfree((void*)pa0);
+  } else {
+    return -1;
+  }
+}
+```
+
+### 6. 释放页时引用计数
+- uvmunmap 释放页时直接调用 kfree，kfree 内部已处理引用计数。
+
+### 7. walk() 边界健壮性
+**文件：kernel/vm.c**
+- 修改 walk()：
+```c
+if(va >= MAXVA)
+  return 0;
+```
+
+## 调试与测试
+
+- 通过 `make qemu`，运行 `usertests` 和 `cowtest`，确保所有测试通过。
+- 重点关注 `MAXVAplus`、`forktest`、`sbrkfail` 等边界和异常测试。
+- 遇到 panic("walk") 问题，修正 walk() 返回 0。
+- 通过多次 fork/exec、写入、回收等场景，验证内存共享和释放的正确性。
+
+## 常见问题与修复
+
+- **panic("walk")**：walk() 对非法地址应返回0而不是panic。
+- **refcnt数组不能用end做基址**：应以KERNBASE为基址，保证数组大小编译期可知。
+- **重复定义PTE宏**：只保留riscv.h中的定义。
+
+## 总结
+
+- COW fork 显著提升了 fork+exec 的效率。
+- 通过引用计数和 COW 标志，保证了内存的正确共享与释放。
+- 通过边界检查和优雅失败，保证了系统健壮性。
+
+本实验加深了对操作系统内存管理、页表机制和异常处理的理解。 

kernel/vm.c

@@ -90,7 +90,8 @@ pte_t *
 walk(pagetable_t pagetable, uint64 va, int alloc)
 {
   if(va >= MAXVA)
-    panic("walk");
+    return 0;
+    // panic("walk");
 
   for(int level = 2; level > 0; level--) {
     pte_t *pte = &pagetable[PX(level, va)];

time.txt

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