2023开源操作系统训练营三阶段 proj2 练习3

练习实验书: https://scpointer.github.io/rcore2oscomp/docs/lab3/intro.html

1 编程作业

1.1 实验3.1

修改代码，使得 busybox ls bin/abc 正常输出 bin/abc。

1.1.1 对拍结果

• 在syscall中使用error!输出日志后运行结果如下:

  ==================================================== busybox touch abc ====================================================
  
  [ 60.140455 0:6 syscall_entry::syscall:38] [syscall] id = SET_TID_ADDRESS, args = [1457172, 248, 0, 18446744073708088664, 1, 1], entry
  [ 60.172291 0:6 syscall_entry::syscall:47] [syscall] id = 96, args = [1457172, 248, 0, 18446744073708088664, 1, 1], return 6
  [ 60.195900 0:6 syscall_entry::syscall:38] [syscall] id = GETUID, args = [1073741394, 47, 1073741394, 98, 1073741394, 1073741394], entry
  [ 60.221776 0:6 syscall_entry::syscall:47] [syscall] id = 174, args = [1073741394, 47, 1073741394, 98, 1073741394, 1073741394], return 0
  [ 60.239349 0:6 syscall_entry::syscall:29] [syscall] id = UTIMENSAT, args = [18446744073709551516, 1073741384, 0, 0, 0, 0], entry
  [ 62.010726 0:6 syscall_entry::syscall:47] [syscall] id = 88, args = [18446744073709551516, 1073741384, 0, 0, 0, 0], return 0
  [ 62.028929 0:6 syscall_entry::syscall:38] [syscall] id = EXIT_GROUP, args = [0, 0, 0, 0, 0, 0], entry
  
  ==================================================== busybox mv abc bin/ ====================================================
  
  [ 80.708070 0:6 syscall_entry::syscall:38] [syscall] id = SET_TID_ADDRESS, args = [1457172, 248, 0, 18446744073708088664, 1, 1], entry
  [ 80.723000 0:6 syscall_entry::syscall:47] [syscall] id = 96, args = [1457172, 248, 0, 18446744073708088664, 1, 1], return 6
  [ 80.743645 0:6 syscall_entry::syscall:38] [syscall] id = GETUID, args = [1073741394, 47, 1073741394, 98, 1073741394, 1073741394], entry
  [ 80.754384 0:6 syscall_entry::syscall:47] [syscall] id = 174, args = [1073741394, 47, 1073741394, 98, 1073741394, 1073741394], return 0
  [ 80.775450 0:6 syscall_entry::syscall:29] [syscall] id = FSTATAT, args = [18446744073709551516, 1073741382, 1073740160, 0, 1073741382, 18446744073709551516], entry
  [ 80.806092 0:6 fatfs::dir:140] Is a directory
  [ 80.834425 0:6 syscall_entry::syscall:47] [syscall] id = 79, args = [18446744073709551516, 1073741382, 1073740160, 0, 1073741382, 18446744073709551516], return 0
  [ 80.856809 0:6 syscall_entry::syscall:21] [syscall] id = BRK, args = [0, 64, 1458528, 0, 1457024, 4096], entry
  [ 80.865595 0:6 syscall_entry::syscall:47] [syscall] id = 214, args = [0, 64, 1458528, 0, 1457024, 4096], return 1067450368
  [ 80.876861 0:6 syscall_entry::syscall:21] [syscall] id = MMAP, args = [0, 4096, 3, 34, 18446744073709551615, 0], entry
  [ 80.893941 0:6 syscall_entry::syscall:47] [syscall] id = 222, args = [0, 4096, 3, 34, 18446744073709551615, 0], return 4096
  [ 80.917225 0:6 syscall_entry::syscall:29] [syscall] id = FSTATAT, args = [18446744073709551516, 4128, 1073740160, 0, 4128, 18446744073709551516], entry
  [ 81.021491 0:6 syscall_entry::syscall:47] [syscall] id = 79, args = [18446744073709551516, 4128, 1073740160, 0, 4128, 18446744073709551516], return -64
  [ 81.042344 0:6 syscall_entry::syscall:29] [syscall] id = WRITE, args = [2, 1073740112, 47, 0, 0, 0], entry
  mv: can't stat 'bin/abc': No error information
  [ 81.059920 0:6 syscall_entry::syscall:47] [syscall] id = 64, args = [2, 1073740112, 47, 0, 0, 0], return 47
  [ 81.072551 0:6 syscall_entry::syscall:38] [syscall] id = EXIT_GROUP, args = [1, 0, 0, 1459576, 0, 1], entry
  
  ==================================================== busybox ls bin/abc ====================================================
  
  [ 99.668975 0:6 syscall_entry::syscall:38] [syscall] id = SET_TID_ADDRESS, args = [1457172, 248, 0, 18446744073708088664, 1, 1], entry
  [ 99.684396 0:6 syscall_entry::syscall:47] [syscall] id = 96, args = [1457172, 248, 0, 18446744073708088664, 1, 1], return 6
  [ 99.703854 0:6 syscall_entry::syscall:38] [syscall] id = GETUID, args = [1073741394, 47, 1073741394, 98, 1073741394, 1073741394], entry
  [ 99.720334 0:6 syscall_entry::syscall:47] [syscall] id = 174, args = [1073741394, 47, 1073741394, 98, 1073741394, 1073741394], return 0
  [ 99.743118 0:6 syscall_entry::syscall:38] [syscall] id = CLOCK_GET_TIME, args = [0, 1073740640, 24, 24, 1457480, 0], entry
  [ 99.756191 0:6 syscall_entry::syscall:47] [syscall] id = 113, args = [0, 1073740640, 24, 24, 1457480, 0], return 0
  [ 99.773509 0:6 syscall_entry::syscall:29] [syscall] id = IOCTL, args = [0, 21523, 1073740584, 18446744073709551578, 1457480, 1073740528], entry
  [ 99.792659 0:6 syscall_entry::syscall:47] [syscall] id = 29, args = [0, 21523, 1073740584, 18446744073709551578, 1457480, 1073740528], return 0
  [ 99.815217 0:6 syscall_entry::syscall:29] [syscall] id = IOCTL, args = [1, 21523, 1073740648, 2, 0, 1332386], entry
  [ 99.824071 0:6 syscall_entry::syscall:47] [syscall] id = 29, args = [1, 21523, 1073740648, 2, 0, 1332386], return 0
  [ 99.836051 0:6 syscall_entry::syscall:29] [syscall] id = IOCTL, args = [1, 21523, 1073740648, 68, 2, 0], entry
  [ 99.849454 0:6 syscall_entry::syscall:47] [syscall] id = 29, args = [1, 21523, 1073740648, 68, 2, 0], return 0
  [ 99.863974 0:6 syscall_entry::syscall:21] [syscall] id = BRK, args = [0, 160, 1458528, 0, 1457024, 4096], entry
  [ 99.879705 0:6 syscall_entry::syscall:47] [syscall] id = 214, args = [0, 160, 1458528, 0, 1457024, 4096], return 1067450368
  [ 99.895548 0:6 syscall_entry::syscall:21] [syscall] id = MMAP, args = [0, 4096, 3, 34, 18446744073709551615, 0], entry
  [ 99.903246 0:6 syscall_entry::syscall:47] [syscall] id = 222, args = [0, 4096, 3, 34, 18446744073709551615, 0], return 4096
  [ 99.919318 0:6 syscall_entry::syscall:29] [syscall] id = FSTATAT, args = [18446744073709551516, 1073741383, 1073740256, 0, 1073741383, 18446744073709551516], entry
  [100.011304 0:6 syscall_entry::syscall:47] [syscall] id = 79, args = [18446744073709551516, 1073741383, 1073740256, 0, 1073741383, 18446744073709551516], return -64
  [100.042643 0:6 syscall_entry::syscall:29] [syscall] id = WRITE, args = [2, 1073740208, 34, 0, 0, 0], entry
  ls: bin/abc: No error information
  [100.070083 0:6 syscall_entry::syscall:47] [syscall] id = 64, args = [2, 1073740208, 34, 0, 0, 0], return 34
  [100.090969 0:6 syscall_entry::syscall:38] [syscall] id = EXIT_GROUP, args = [1, 0, 0, 1459576, 0, 1], entry

• 在Linux系统中在相同的位置执行相同的命令, strace输出如下(这里只给出mv abc bin/的结果):

  ...
  ioctl(0, TCGETS, {B38400 opost isig icanon echo ...}) = 0
  stat("bin/", {st_mode=S_IFDIR|0755, st_size=4096, ...}) = 0
  lstat("abc", {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=0, ...}) = 0
  lstat("bin/abc", 0x7fffbdb041a0)        = -1 ENOENT (No such file or directory)
  rename("abc", "bin/abc")                = 0
  lseek(0, 0, SEEK_CUR)                   = -1 ESPIPE (Illegal seek)
  close(0)                                = 0
  close(1)                                = 0
  close(2)                                = 0
  exit_group(0)                           = ?
  +++ exited with 0 +++

1.1.2 定位并修改错误—未完成rename系统调用

strace输出的内容很多, 这里我们只需要关注rename系统调用前后的内容即可, 其区别总结如下:

1. strace输出内容包括rename系统调用, 而我们的Starry没有输出响应的系统调用
   这意味着执行rename系统调用前发生了错误, 因此关注前一个系统调用lstat
2. FSTATAT返回类型不匹配
   分析可知, lstat和FSTATAT应该是rename系统调用的前置, strace中其返回值为-1 ENOENT, 而在Starry中返回值为-64
   查阅ulib/axstarry/syscall_utils/src/lib.rs和target/debug/build/axerrno-011bdf3cce8cadef/out/linux_errno.rs可知, -64返回的是:

   // target/debug/build/axerrno-011bdf3cce8cadef/out/linux_errno.rs
   
   /// Machine is not on the network
   ENONET = 64,

   ENOENT在同目录下, 同样存在:

       // target/debug/build/axerrno-011bdf3cce8cadef/out/linux_errno.rs
   
   /// No such file or directory
   ENOENT = 2,

   分析我们执行的指令可知, FSTATAT对应的系统调用syscall_fstatat作用是查看目标路径下的文件信息, 在执行该命令前, 其应当是不存在的, 故其应返回ENOENT而不是ENONET
3. 观察syscall_fstatat
   查看syscall_fstatat代码可知, 其对解析出的路径调用get_stat_in_fs完成信息获取
4. 修改get_stat_in_fs
   由于我们知道其错误返回了ENONET, 故搜索该字段即可迅速定位并完成修改

   // 是文件
   return if let Ok(file) = new_fd(real_path.to_string(), 0.into()) {
       match file.get_stat() {
           Ok(stat) => Ok(stat),
           Err(e) => {
               debug!("get stat error: {:?}", e);
               Err(SyscallError::EINVAL)
           }
       }
   } else {
       Err(SyscallError::ENOENT) // 修改为ENOENT
   };

1.1.3 定位并修改错误—完成缺失的rename系统调用

根据提示完成syscall_renameat2系统调用:

• 实现flags结构体
  在此处找到对应的276号系统调用说明
  可知, flags包含了:RENAME_EXCHANGE, RENAME_NOREPLACE和RENAME_WHITEOUT, 故实现如下:

  use bitflags::bitflags;
  bitflags! {
  /// sys_renameat2 用到的标志位
  pub struct RenameFlags: u32 {
  const NONE = 0;
  // LAB3 其他可能的选项都有什么？
  // 参考: https://man7.org/linux/man-pages/man2/renameat2.2.html
  const RENAME_EXCHANGE = 1; // 原子交换旧路径和新路径。两个路径名必须存在
  const RENAME_NOREPLACE = 2; // 如果newpath已经存在, 不要覆盖重命名的新路径。
  const RENAME_WHITEOUT  = 4; // 仅适用于覆盖/并集文件系统实现
  }
  }

• 实现syscall_renameat2
  此处我没有实现RENAME_EXCHANGE和RENAME_WHITEOUT, 只对RENAME_NOREPLACE进行了实现, 其核心就是调用底层的axfs::api::rename

  /// 276
  /// 重命名文件或目录
  // LAB3 你需要完成这个 syscall
  pub fn syscall_renameat2(
  old_dirfd: usize,
  old_path: *const u8,
  new_dirfd: usize,
  new_path: *const u8,
  flags: usize,
  ) -> SyscallResult {
  let old_path = deal_with_path(old_dirfd, Some(old_path), false).unwrap();
  let new_path = deal_with_path(new_dirfd, Some(new_path), false).unwrap();
  let proc_path = FilePath::new("/proc").unwrap();
  if old_path.start_with(&proc_path) || new_path.start_with(&proc_path) {
      return Err(SyscallError::EPERM);
  }
  
  let new_path_str = new_path.path();
  
  let mut replace = true;
  
  if let Some(flag) = RenameFlags::from_bits(flags.try_into().unwrap()) {
      if flag.contains(RenameFlags::RENAME_EXCHANGE) {
          panic!("not supported!");
      }
      if flag.contains(RenameFlags::RENAME_NOREPLACE) {
          replace = false;
      }
      if flag.contains(RenameFlags::RENAME_WHITEOUT) {
          panic!("not supported!");
      }
  }
  if !path_exists(old_path_str) {
      error!("old path not exists:{}", old_path_str);
      return Err(SyscallError::ENOENT);
  }
  
  if !replace && path_exists(new_path_str) {
      error!("new path exists:{}", new_path_str);
      return Err(SyscallError::EEXIST);
  }
  
  // error!("old path = {}", old_path_str);
  // error!("new path = {}", new_path_str);
  
  let res = axfs::api::rename(old_path_str, new_path_str);
  
  match res {
      Ok(()) => Ok(0),
      Err(e) => Err(e.into()),
  }
  
  // return Err(SyscallError::EPERM);
  }

1.1.4 输出结果

输出结果如下:

1.2 实验3.2

修改代码，使得 busybox mv def bin 正常输出 bin/def。

1.2.1 对拍结果

根据题目分析可知, 此处的错误原因在于内核将bin看成了一个文件, 而不是一个目录
因此, 此处对拍可以不用跟strace对比, 其实际输出太过复杂, 可以和我们之前的实验3.1进行对拍

PS:此处借助VScode的比较工具对2次的输出进行比对

通过VSCode的对比我们可以更快地定位对拍的不同:

• 在调用syscall_renameat2之前, 左侧的实验3.1不存在系统调用FACCESSAT, 而右侧的实验3.2则存在
• 在调用syscall_renameat2之前的系统调用FSTATAT返回值不同:左侧的实验3.1返回值为-2, 而右侧的实验3.2返回0

1.2.2 对拍分析

1. 对拍分析–FACCESSAT
   查阅syscall_faccessat的注释可知, 该函数用于获取文件权限与判别目录还是文件无关, 可暂时跳过

2. 对拍分析–FSTATAT
   再次回到熟悉的函数syscall_fstatat, 发现其对路径字符串的解析在get_stat_in_fs中
   分析get_stat_in_fs, 发现其判断路径为文件夹或文件的依据是:

   if !real_path.ends_with("/") && !real_path.ends_with("include")

   大致可以判断出错误原因了, 因为其判断路径是文件夹或者文件的依据是其是否以/结尾, 参考syscall_renameat2中的提示, 使用metadata来判断其是否为文件:

   let mut is_file = false;
   
   let meta_data = metadata(real_path);
   if meta_data.is_ok() {
       is_file = meta_data.unwrap().is_file();
   } else {
       return Err(SyscallError::ENOENT);
   }
   
   if is_file {
       // 是文件
       ...
   } else {
       // 是目录
       ...
   }

1.2.3 输出结果

输出结果如下:

2 问答作业

2.1 思考题1

• 思考题1.1

  思考题1.1：这些代码具体在 ~/.cargo 下的哪个文件夹？

我的log库的路径为:

~/.cargo/registry/src/mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn-df7c3c540f42cdbd/log-0.4.19/src/lib.rs

其中src的下一级目录为设置的镜像代理

• 思考题1.2

  思考题1.2：如果忘记 make clean 会发生什么？

阅读Makefile:

clean: clean_c
	rm -rf $(APP)/*.bin $(APP)/*.elf
	cargo clean

可知, make clean进行了cargo clean, 如果直接make run会导致依赖库不会重新下载

2.3 思考题2

思考题2：在部分往届内核及运行指引 一节提到的内核中挑选一个，描述它在默认情况下启动后会执行哪些测例（抑或是直接启动终端）。你不一定要真的运行那个内核，读文档或搜索即可。

选择内核为xv6(嘿嘿, 其实是对xv6比较熟悉, 偷个懒)
xv6运行测例位于xv6-user文件夹下, 并需要再在Makefile中尽显指定:

UPROGS=\
	$U/_init\
	$U/_sh\
	$U/_cat\
	$U/_echo\
	$U/_grep\
	$U/_ls\
	$U/_kill\
	$U/_mkdir\
	$U/_xargs\
	$U/_sleep\
	$U/_find\
	$U/_rm\
	$U/_rmdir\
	$U/_wc\
	$U/_info\
	$U/_usertests\
	$U/_strace\
	$U/_mv\
	$U/_test\
	$U/_grind\
	$U/_forktest\
	$U/_stressfs\
	$U/_cowtest\
	$U/_lazytests\
	$U/_mount\
	$U/_umount\
	$U/_dup3\
	$U/_mmaptests\
	$U/_sync\
	$U/_signal_test

Makefile以上文件对应于xv6-user文件夹下去掉下划线并以.c结尾的源文件, 如init.c, test.c等

2.3 思考题3

• 思考题3.1

  思考题3.1：为什么要在开头结尾各输出一句，会不会太过重复？（提示：考虑执行出错的情况，或者 sys_exit ）

一方面, sys_exit输出一次后就终止了, 另一方面, 收尾各自输出依据可以判断是否出现了panic(不确定是不是这个意思)

• 思考题3.2

  思考题3.2：为什么要结尾还要输出一遍 syscall 的完整参数，只输出返回值行不行？（提示：考虑像 sys_yield 这样的 syscall）

sys_yield这类系统调用让出了CPU, 因此通过打印参数, 可以观测让出CPU期间, 其寄存器有没有被修改, 或是将系统让出CPU的时间进行记录(不确定是不是这个意思)