[MIT 6.S081 Fall 2020] Lab: system calls

https://pdos.csail.mit.edu/6.S081/2020/labs/syscall.html

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System call tracing (moderate)

리눅스의 strace와 같이 시스템 콜을 추적하는 프로그램을 구현하는 실습이다.

Add trace to Makefile

미리 구현되어 있는 user/trace.c가 컴파일될 수 있도록 Makefile에 추가한다.

...
UPROGS=\
...
    $U/_trace\
...

Add trace system call

trace.c에서 호출하는 trace 시스템 콜을 커널에 추가한다.

syscall.h에 시스템 콜 번호를 정의한다.

// System call numbers
...
#define SYS_trace 22

syscall.c에 trace 시스템 콜의 구현체인 sys_trace() 함수의 원형을 추가하고, 이 함수를 시스템 콜 함수들의 주소가 저장된 배열인 syscalls에 추가한다.

extern uint64 sys_chdir(void);
...
extern uint64 sys_trace(void);

static uint64 (*syscalls[])(void) = {
...
    [SYS_close] sys_close,
    [SYS_trace] sys_trace
};

그리고 trace에서 추적하는 시스템 콜들의 이름이 필요하기 때문에, 문자열 형태로 저장해둔다. 편의를 위해 n번 시스템 콜의 이름이 syscall_name[n]에 저장되도록 한다.

char *syscall_name[] = {"", "fork", "exit", "wait", "pipe", "read", "kill", "exec", "fstat", "chdir", "dup", "getpid", "sbrk", "sleep", "uptime", "open", "write", "mknod", "unlink", "link", "mkdir", "close", "trace"};

User가 trace() 시스템 콜을 호출할 수 있도록 user.h에 trace() 함수의 원형을 추가한다. trace.c에서 if (trace(atoi(argv[1])) < 0)의 형식으로 호출하고 있기 때문에, 정수를 인자로 받아서 정수를 반환하는 함수로 선언한다.

// system calls
...
int trace(int);

sysproc.c에 sys_trace() 함수를 추가한다. 일단 임시로 0을 반환하는 빈 함수로 정의한다.

uint64 sys_trace(void) {
    return 0;
}

usys.pl에 trace를 추가하여 user의 trace() 함수와 커널의 trace 시스템 콜을 연결한다.

entry("fork");
...
entry("trace");

Implement trace system call

trace 시스템 콜은 추적할 시스템 콜의 종류를 bitmask의 형태로 저장한다. struct proc 구조체에 tracemask 필드를 추가해서, 프로세스가 시스템 콜을 호출할 때마다 이 tracemask에 해당하는지 검사하고 출력하는 식으로 구현할 수 있다.

proc.h의 struct proc 구조체에 tracemask 필드를 추가한다.

struct proc {
...
    int tracemask;
};

모든 시스템 콜은 syscall.c의 syscall()을 거친다. 이 함수에서 syscalls 배열을 참조하여 각 시스템 콜에 해당하는 함수를 호출한다. 이 호출 직후에, 만약 시스템 콜 번호가 tracemask에 설정되어 있다면 시스템 콜의 정보를 포맷에 맞게 출력하도록 한다. 시스템 콜의 반환값은 a0 레지스터에 저장되는데, 이 레지스터의 값은 p->trapframe->a0로 참조할 수 있다.

void syscall(void) {
...
    if (num > 0 && num < NELEM(syscalls) && syscalls[num]) {
        p->trapframe->a0 = syscalls[num]();
        if (p->tracemask >> num & 1)
            printf("%d: syscall %s -> %d\n", p->pid, syscall_name[num], p->trapframe->a0);
...
}

sysproc.c에 정의했던 sys_trace()를 구현한다. 인자로 tracemask를 받아서 현재 프로세스 구조체에 저장한다.

uint64 sys_trace(void) {
    int tracemask;

    // fetch argument
    if (argint(0, &tracemask)) return -1;

    myproc()->tracemask = tracemask;

    return 0;
}

proc.c의 fork()에 tracemask를 복사하는 코드를 추가한다.

int fork(void) {
...
    np->tracemask = p->tracemask;

    release(&np->lock);

    return pid;
}

Test

make GRADEFLAGS=trace grade

Sysinfo (moderate)

현재 CPU의 free memory의 양과 프로세스 개수 정보를 담은 struct sysinfo 구조체(sysinfo.h에 정의)를 반환하는 sysinfo 시스템 콜을 구현하는 실습이다.

Add sysinfotest to Makefile

sysinfotest가 컴파일될 수 있도록 Makefile에 추가한다.

...
UPROGS=\
...
    $U/_trace\
    $U/_sysinfotest\
...

Add sysinfo system call

sysinfotest.c에서 호출하는 sysinfo 시스템 콜을 커널에 추가한다.

syscall.h에 시스템 콜 번호를 정의한다.

// System call numbers
...
#define SYS_trace 22
#define SYS_sysinfo 23

syscall.c에 sysinfo 시스템 콜의 구현체인 sys_sysinfo() 함수의 원형을 추가하고, 이 함수를 시스템 콜 함수들의 주소가 저장된 배열인 syscalls에 추가한다.

...
extern uint64 sys_trace(void);
extern uint64 sys_sysinfo(void);

static uint64 (*syscalls[])(void) = {
...
    [SYS_trace] sys_trace,
    [SYS_sysinfo] sys_sysinfo};

trace에서 사용하는 시스템 콜 이름 목록에 sysinfo를 추가한다.

char *syscall_name[] = {"", "fork", "exit", "wait", "pipe", "read", "kill", "exec", "fstat", "chdir", "dup", "getpid", "sbrk", "sleep", "uptime", "open", "write", "mknod", "unlink", "link", "mkdir", "close", "trace", "sysinfo"};

User가 sysinfo() 시스템 콜을 호출할 수 있도록 user.h에 sysinfo() 함수의 원형을 추가한다. sysinfotest.c에서 if (sysinfo(info) < 0)의 형식으로 호출하고 있기 때문에, struct sysinfo형 포인터를 인자로 받아서 정수를 반환하는 함수로 선언한다.

// system calls
...
int trace(int);
int sysinfo(struct sysinfo*);

이때 struct sysinfo가 정의되어 있지 않다는 오류가 발생하는데, user.h의 맨 위에서 struct sysinfo를 추가로 선언하면 된다.

struct stat;
struct rtcdate;
struct sysinfo;

sysproc.c에 sys_sysinfo() 함수를 추가한다. 일단 임시로 0을 반환하는 빈 함수로 정의한다.

uint64 sys_sysinfo(void) {
    return 0;
}

usys.pl에 sysinfo를 추가하여 user의 sysinfo() 함수와 커널의 sysinfo 시스템 콜을 연결한다.

...
entry("trace");
entry("sysinfo");

Implement get_freemem()

kalloc.c에서는 free memory를 single linked list 형식으로 관리한다.

struct run {
    struct run *next;
};

struct {
    struct spinlock lock;
    struct run *freelist;
} kmem;

freelist부터 시작해서 next를 따라가면서 PGSIZE씩 더하면 현재 free memory의 총합을 알 수 있다. kalloc.c에 get_freemem() 함수를 추가하여 이 과정을 구현한다.

// return amount of free memory (bytes)
uint64 get_freemem() {
    uint64 freemem = 0;
    for (struct run *ptr = kmem.freelist; ptr; ptr = ptr->next)
        freemem += PGSIZE;
    return freemem;
}

sys_sysinfo()에서 get_freemem()을 사용할 수 있도록 defs.h에 추가한다.

// kalloc.c
...
uint64 get_freemem(void);

Implement get_nproc()

proc.c에서는 프로세스들의 정보를 배열에 담아 관리한다.

struct proc proc[NPROC];

proc.h를 보면 프로세스는 총 5가지 상태를 가질 수 있는데,

enum procstate { UNUSED,
                 SLEEPING,
                 RUNNABLE,
                 RUNNING,
                 ZOMBIE };

sysinfo는 UNUSED 상태가 아닌 프로세스들의 개수를 반환해야 한다. proc.c에 get_nproc() 함수를 추가하여 이 과정을 구현한다.

// get number of processes
uint64 get_nproc() {
    uint64 nproc = 0;
    for (int i = 0; i < NPROC; i++)
        if (proc[i].state != UNUSED) nproc++;
    return nproc;
}

sys_sysinfo()에서 get_nproc()을 사용할 수 있도록 defs.h에 추가한다.

// proc.c
...
uint64 get_nproc(void);

Implement sysinfo system call

sysproc.c에 정의했던 sys_sysinfo()를 구현한다. struct sysinfo 구조체 포인터를 인자로 받아서, 그 포인터에 freemem과 nproc을 채운다. 이때 kernel space에서 user space로 데이터를 직접 쓰려고 하면 kerneltrap이 발생하기 때문에 copyout()을 사용해서 데이터를 복사해야 한다.

uint64 sys_sysinfo(void) {
    struct sysinfo *sysinfo_user;

    // fetch argument
    argaddr(0, (void *)&sysinfo_user);

    struct sysinfo sysinfo = {get_freemem(), get_nproc()};

    // copy sysinfo to user space
    if (copyout(myproc()->pagetable, (uint64)sysinfo_user, (char *)&sysinfo, sizeof(sysinfo)) < 0)
        return -1;

    return 0;
}

Test

make GRADEFLAGS=sysinfo grade