MIT 6.S081 pgtbl 实验篇(lab3)：Print a page table (easy)-北京尧图网络

Print a page table (easy)实验目标本实验要求我们在 xv6 内核中实现vmprint()函数给定一个页表按层级结构把它打印出来。当内核启动、加载第一个用户进程initpid1时打印它的页表作为对 Sv39 三级页表结构的直观验证。实验本身代码量很小真正的价值在于借打印过程吃透页表遍历walk的递归本质——这也是A kernel page table per process (hard)、Simplify copyin/copyinstr (hard)的基础。前置知识Sv39 三级页表在 Sv39 分页模式下虚拟地址到物理地址的翻译依赖一棵三级页表树三级指树的深度为 3根页表顶级页表Level-2的物理地址存放在satp寄存器中是这棵树的根节点。每一级页表都是一页 4KB4096 字节大小的内存包含512 个 PTE页表项对应 39 位虚拟地址中每段 9 位的索引2^9 512。PTE 的含义中间节点的 PTE 保存下一级页表的物理地址最后一级叶子节点的 PTE 保存最终映射的物理页地址。整棵树的遍历过程就是从satp指向的根页表出发依据虚拟地址的 3 段 9 位索引逐级下行直到抵达叶子节点取出物理页地址。实现思路复用 freewalk 的遍历骨架xv6 已经在kernel/vm.c中提供了freewalk()它递归遍历整棵页表树并释放页表页。我们的vmprint()与它的遍历逻辑完全一致区别只在于访问节点时做什么freewalk()遇到节点 → 递归子节点 → 最后kfree释放当前页表页vmprint()遇到节点 →打印信息→ 递归子节点 → 不释放。换句话说把释放换成打印骨架原封不动。先看一下freewalk()的实现// kernel/vm.c/* * 递归释放页表页本身不是用户数据页。 * 调用前所有叶子映射用户数据页必须已被移除。 * * 工作原理 * 遍历页表中的 512 个 PTE * - 如果 PTE 有效且没有 R/W/X 标志 → 它指向下一级页表递归释放 * - 如果 PTE 有效且有 R/W/X 标志 → 它是叶子 PTE说明用户数据页还没清除panic * 最后释放当前页表页本身。 */voidfreewalk(pagetable_tpagetable){// 每个页表页有 2^9 512 个 PTEfor(inti0;i512;i){pte_tptepagetable[i];// PTE 有效没有 R/W/X → 这是指向下级页表的中间节点if((ptePTE_V)(pte(PTE_R|PTE_W|PTE_X))0){uint64 childPTE2PA(pte);freewalk((pagetable_t)child);// 递归释放子页表pagetable[i]0;// 清除当前 PTE}elseif(ptePTE_V){// PTE 有效且有 R/W/X → 叶子节点说明用户数据页还没被释放panic(freewalk: leaf);}}// 释放当前页表页本身kfree((void*)pagetable);}对照上面的逻辑实现vmprint()的关键点只有两个递归出口PTE 无效!PTE_V时直接continue不打印、也不再下行(xing)。区分中间节点与叶子用(pte (PTE_R|PTE_W|PTE_X)) 0判断——没有 R/W/X 权限位的 PTE 一定指向下一级页表中间节点需要继续递归否则就是叶子打印即可。代码实现kernel/vm.c实现vmprint与vmprint_helper// kernel/vm.cstaticintvmprint_helper(pagetable_tpagetable,intdepth){// There are 2^9 512 PTEs in a page tablefor(inti0;i512;i){pte_tptepagetable[i];if((ptePTE_V)0)/* 优先级 */continue;// 如果该 PTE 无效无需再打印对应的页表// 当前第 depth1 级页表打印 depth1 个 ..printf(..);for(inti0;idepth;i)printf( ..);// 按格式打印页表内容uint64 childPTE2PA(pte);printf(%d: pte %p pa %p\n,i,pte,child);// 如果该 PTE 对应的不是物理地址递归打印其对应的中间页表if((pte(PTE_R|PTE_W|PTE_X))0)vmprint_helper((pagetable_t)child,depth1);}return0;}intvmprint(pagetable_tpagetable){// 按格式打印顶级页表 pagetableprintf(page table %p\n,pagetable);// 递归打印中间页表returnvmprint_helper(pagetable,0);}格式说明用depth参数记录当前递归深度根页表为 0。每深入一级depth1就多打印一组..从而用缩进直观体现页表的层级关系——根页表项前缀..二级.. ..三级.. .. ..。小细节if ((pte PTE_V) 0)中的优先级高于所以必须加括号否则会被解析成pte (PTE_V 0)逻辑就错了。kernel/defs.h添加函数声明在defs.h的vm.c函数声明区追加一行让其他文件能调用vmprint// kernel/defs.h...// vm.c...intcopyin(pagetable_t,char*,uint64,uint64);intcopyinstr(pagetable_t,char*,uint64,uint64);intvmprint(pagetable_t);// Print a page tablekernel/exec.c在exec中触发打印按照实验要求在exec()函数的return argc之前插入调用。只打印 pid1 的进程即init避免每个进程启动都刷屏...p-trapframe-epcelf.entry;// initial program counter mainp-trapframe-spsp;// initial stack pointerproc_freepagetable(oldpagetable,oldsz);if(p-pid1)vmprint(p-pagetable);// Print a page table if pid 1returnargc;// this ends up in a0, the first argument to main(argc, argv)bad:...验证回到 xv6 目录执行makeqemu启动后内核加载init时会在串口输出类似下面的内容xv6 kernel is booting hart2starting hart1starting page table 0x0000000087f64000..0: pte 0x0000000021fd8001 pa 0x0000000087f60000....0: pte 0x0000000021fd7c01 pa 0x0000000087f5f000......0: pte 0x0000000021fd841f pa 0x0000000087f61000......1: pte 0x0000000021fd780f pa 0x0000000087f5e000......2: pte 0x0000000021fd741f pa 0x0000000087f5d000..255: pte 0x0000000021fd8c01 pa 0x0000000087f63000....511: pte 0x0000000021fd8801 pa 0x0000000087f62000......510: pte 0x0000000021fed807 pa 0x0000000087fb6000......511: pte 0x0000000020001c0b pa 0x0000000080007000 init: startingsh每一行的缩进层级对应页表的级pa即为该 PTE 指向的物理地址。能够正常打印即说明实现正确。复盘这些在做实验时经常用到当成常识就好页表遍历的递归本质三级页表天然是一棵树walk/freewalk/vmprint本质上都是对树做 DFS深度优先遍历区别仅在访问节点时做什么。中间节点 vs 叶子节点的判别靠PTE_R|PTE_W|PTE_X权限位——中间节点无权限位只指向下级页表叶子节点有权限位指向物理页。

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