xv6 initプロセス ことはじめ

教育用OS「xv6」のソースコードから、initプロセスの生成と実行を見る。

Transcript

1. xv6 initプロセス ことはじめ toasa
2. 自己紹介 - 仕事：zen言語でアプリケーションを書いている - 趣味：低レイヤのことなど
3. OSの勉強中...
4. 「あるプロセスには親プロセスが存在する」 →　その親にも親が存在する →　その親も . . . ではすべての祖となるようなプロセスはあるの？ →　init プロセス
5. init プロセスとは？ - UNIX系での呼び名 - PIDは１ - あらゆるプロセスの祖 →　なんだか、かっこいいな
6. 手軽なOSで initプロセスを 見てみよう
7. xv6
8. xv6とは？ - 教育用OS - Unix v6インスパイア - ANSI Cで書かれた - x86上で動く - https://github.com/mit-pdos/xv6-public
9. 何故xv6? • 学習用途 ◦ ANSI Cで書かれている ◦ 総行数約8500行（.c or .S） ▪ ヘッダファイル含めても1万行いかない ◦ 教科書がある https://pdos.csail.mit.edu/6.828/2018/xv6/book-rev11.pdf
10. どれくらい わかりやすいの？ →　catコマンドを見てみよう
11. catコマンド void cat(int fd) { int n; while((n = read(fd, buf, sizeof(buf))) > 0) { if (write(1, buf, n) != n) { printf(1, "cat: write error\n"); exit(); } } if(n < 0){ printf(1, "cat: read error\n"); exit(); } }
12. では、本題
13. xv6の initプロセス （の生成と実行） を見ていこう
14. 注意 • マルチプロセッサの話題は話（し | せ）ません • ブートローダー　→　カーネル　→　init プロセス
15. 注意 • マルチプロセッサの話題は話（し | せ）ません • ブートローダー　→　カーネル　→　init プロセス カーネルの起動＆設定は完了済とする
16. 注意 • マルチプロセッサの話題は話（し | せ）ません • ブートローダー　→　カーネル　→　init プロセス • 図は上が high アドレス カーネルの起動＆設定は完了済とする
17. xv6の プロセス
18. proc構造体（一部） struct proc { pde_t* pgdir; char *kstack; enum procstate state; int pid; struct proc *parent; struct trapframe *tf; struct context *context; };
19. proc構造体 struct proc { pde_t* pgdir; char *kstack; enum procstate state; int pid; struct proc *parent; struct trapframe *tf; struct context *context; }; context tf parent pid state kstack pgdir high
20. あらすじ • init プロセスを生成 • プロセステーブルに登録 • スケジューラに選ばれる • コンテキストスイッチ • init 実行
21. main int main(void) { ... userinit(); mpmain(); }
22. userinit（概要） • initプロセスを生成する ◦ allocproc() • initのカーネル空間のpagingを設定する ◦ setupkvm() • initのプログラムをメモリに展開する ◦ inituvm()
23. userinit（概要） • initプロセスを生成する ◦ allocproc() • initのカーネル空間のpagingを設定する ◦ setupkvm() • initのプログラムをメモリに展開する ◦ inituvm()
24. userinit() void userinit(void) { struct proc *p; p = allocproc(); if((p->pgdir = setupkvm()) == 0) panic("userinit: out of memory?"); inituvm(p->pgdir, _binary_initcode_start, _binary_initcode_size); ..... }
25. allocproc()に 入る前に...
26. proc.cのグローバル変数 struct { ... struct proc proc[64]; } ptable; int nextpid = 1;
27. プロセステーブル struct { ... struct proc proc[64]; } ptable; int nextpid = 1; proc[0] proc[1] proc[2] proc[63]
28. allocprocでやること • UNUSEDなプロセスをテーブルから探す • そのプロセスの設定 ◦ pid, state, trapframe, etc… • 設定したプロセスを返す
29. allocproc static struct proc* allocproc(void) { struct proc *p; for (p = ptable.proc; p < &ptable.proc[NPROC]; p++) if(p->state == UNUSED) goto found; return 0; found: ... }
30. allocproc（つづき） static struct proc* allocproc(void) { ... found: p->state = EMBRYO; p->pid = nextpid++; p->kstack = kalloc(); ... }
31. context tf parent pid = 1 state = EMBRYO kstack pgdir 4096B (= 1page) kernel stack
32. allocproc（つづき） static struct proc* allocproc(void) { sp = p->kstack + KSTACKSIZE; // Leave room for trap frame. sp -= sizeof *p->tf; p->tf = (struct trapframe*)sp; kernel stack p->kstack sp
33. sp allocproc（つづき） static struct proc* allocproc(void) { sp = p->kstack + KSTACKSIZE; // Leave room for trap frame. sp -= sizeof *p->tf; p->tf = (struct trapframe*)sp; trap frame p->kstack
34. sp trapframe分のメモリ確保 static struct proc* allocproc(void) { sp = p->kstack + KSTACKSIZE; // Leave room for trap frame. sp -= sizeof *p->tf; p->tf = (struct trapframe*)sp; trap frame p->kstack
35. allocproc（つづき） static struct proc* allocproc(void) { ... sp -= 4; *(uint*)sp = (uint)trapret; sp -= sizeof *p->context; p->context = (struct context*)sp; sp trap frame p->kstack trapret
36. context分のメモリ確保 static struct proc* allocproc(void) { ... sp -= 4; *(uint*)sp = (uint)trapret; sp -= sizeof *p->context; p->context = (struct context*)sp; return p; } kernel stack trap frame trapret context sp
37. context分のメモリ確保 static struct proc* allocproc(void) { ... sp -= 4; *(uint*)sp = (uint)trapret; sp -= sizeof *p->context; p->context = (struct context*)sp; return p; } kernel stack trap frame trapret context sp
38. allocproc脱出時 context tf parent pid = 1 state = EMBRYO kstack pgdir p->kstack kernel stack trap frame trapret context
39. ふたたび userinit() void userinit(void) { struct proc *p; p = allocproc(); if((p->pgdir = setupkvm()) == 0) panic("userinit: out of memory?"); inituvm(p->pgdir, _binary_initcode_start, _binary_initcode_size); ..... }
40. inituvm void userinit(void) { struct proc *p; p = allocproc(); if((p->pgdir = setupkvm()) == 0) panic("userinit: out of memory?"); inituvm(p->pgdir, _binary_initcode_start, _binary_initcode_size); ..... }
41. initプログラムメモリ確保 4096B initcode 0
42. trapframeの設定 void userinit(void) { ... p->tf->esp = PGSIZE; p->tf->eip = 0; p->state = RUNNABLE; }
43. trapframeの設定 kernel stack trap frame trapret context 4096B initcode 0
44. trapframeの設定 kernel stack trapret context 4096B initcode 0 esp eip trapframe
45. userinitの最後 void userinit(void) { ... p->state = RUNNABLE; }
46. 下準備完了 kernel stack trapret context 4096B initcode 0 esp eip context tf parent pid = 1 state = RUNNABLE kstack pgdir init
47. scheduler
48. scheduler proc[0] proc[1] proc[2] proc[63] RUNNABLEな プロセス発見！ → そのプロセスへ コンテキストスイッチ
49. scheduler void scheduler(void) { for(;;) { ... for (p = ptable.proc; p < &ptable.proc[NPROC]; p++) { if (p->state != RUNNABLE) continue; ... } } }
50. scheduler void scheduler(void) { for(;;) { ... switchuvm(p); p->state = RUNNING; swtch(&(c->scheduler), p->context); switchkvm(); ... } } }
51. scheduler void scheduler(void) { for(;;) { ... switchuvm(p); p->state = RUNNING; swtch(&(c->scheduler), p->context); switchkvm(); ... } } }
52. scheduler void scheduler(void) { for(;;) { ... switchuvm(p); p->state = RUNNING; swtch(&(c->scheduler), p->context); switchkvm(); ... } } }
53. schedulerのカーネルスタック swtch(&(c->scheduler), p->context); p ->context &(c->scheduler) swtch()の戻り先 呼び出し直後
54. schedulerのカーネルスタック swtch(..., ...); p ->context &(c->scheduler) swtch()の戻り先 呼び出し直後 esp->
55. swtch.S movl 4(%esp), %eax movl 8(%esp), %edx pushl %ebp pushl %ebx pushl %esi pushl %edi ... p ->context &(c->scheduler) swtch()の戻り先 edx = esp-> eax =
56. swtch.S movl 4(%esp), %eax movl 8(%esp), %edx pushl %ebp pushl %ebx pushl %esi pushl %edi ... p ->context &(c->scheduler) swtch()の戻り先 ebp ebx edi esi edx = esp-> eax = schedulerの context
57. swtch.S ... movl %esp, (%eax) movl %edx, %esp popl %edi popl %esi popl %ebx popl %ebp ret p ->context &(c->scheduler) swtch()の戻り先 ebp ebx edi esi edx = esp-> eax = 古いコンテキストを 保存
58. swtch.S ... movl %esp, (%eax) movl %edx, %esp popl %edi popl %esi popl %ebx popl %ebp ret p ->context &(c->scheduler) swtch()の戻り先 ebp ebx edi esi edx = esp-> eax = 新しいコンテキストへ スイッチ
59. initプロセス kernel stack trapret eip 4096B initcode 0 esp eip esp-> context ebp ebx esi edi
60. swtch.Sのつづき kernel stack trapret eip 4096B initcode 0 esp eip esp-> ebp ebx esi edi ... popl %edi popl %esi popl %ebx popl %ebp ret
61. swtch.Sのつづき kernel stack trapret eip 4096B initcode 0 esp eip esp-> ebp ebx esi edi ... popl %edi popl %esi popl %ebx popl %ebp ret
62. swtch.Sのつづき kernel stack trapret eip 4096B initcode 0 esp eip esp-> ebp ebx esi edi trapframe を拡大
63. trapret 4096B initcode 0 trapret: popal popl %gs popl %fs popl %es popl %ds addl $0x8, %esp iret trape frame edi eax esp-> gs ds trapno err eip esp
64. trapret 4096B initcode 0 trapret: popal popl %gs popl %fs popl %es popl %ds addl $0x8, %esp iret trape frame edi eax esp-> gs ds trapno err eip esp
65. trapret 4096B initcode 0 trapret: popal popl %gs popl %fs popl %es popl %ds addl $0x8, %esp iret trape frame edi eax esp-> gs ds trapno err eip esp
66. trapret 4096B initcode 0 trapret: popal popl %gs popl %fs popl %es popl %ds addl $0x8, %esp iret trape frame edi eax esp-> gs ds trapno err eip esp
67. 4096B initcode 0 trape frame edi eax esp-> gs ds trapno err eip esp eip->
68. その後
69. init プロセスは fork() を実行。 その子プロセスは shell を起動。
70. おしまい
71. 参考文献 • xv6 ◦ https://github.com/mit-pdos/xv6-public • book-rev11.pdf ◦ https://pdos.csail.mit.edu/6.828/2018/xv6/book-rev11.pdf • xv6実装の詳解(マルチタスク処理 switching編) ◦ https://qiita.com/knknkn1162/items/0bc9afc3ae304590e16c