Project xv6

MIT 6.S081: Operating System Engineering

Start

为什么要开始这个项目呢？说实话，我也不知道，可能当时想到，学底层真的很酷吧(不，还不是这个原因，看下面)。

当时在大一暑假的时候，成天在家里没事干，平常的事情也不是很多，就是练车，玩电脑游戏(CSGO)，自己又很无聊，平常又不会去找同学聊天，出去玩什么的，平常都是自己一个人，所以自己总是喜欢在网上找些乐子，也就是喜欢接触一些新的东西，就像是之前我说的ChatGPT，什么的，因为我对游戏的兴趣也就那样，没有痴迷的地步，我对编程也有很大的兴趣，去专门找一些，新的有意思的东西。

那天，我正好看到了一个玄学的算命网站，哈哈，就是赛博算命，也就是AI算命，当时感觉蛮有意思的，我就问AI我的事业运，他倒是分析出来，我是适合做些精密的工作的，比如编程什么的，我就跟他说， 我确实是软件工程的学生，他又帮我算，说我不适合UI，你别说，我还真的是不适合UI，在大一下的适合，我想自己做个EasyQSLP的项目，就是做一个网站，这个网站的目标就是从0到1一条龙服务式的教你要学的东西，因为之前我在学编程的适合，总是找不到合适的教程，要不然就是基础的东西不好找，要不然就是深处的，进阶的知识不好找，这是个很大的痛点，所以我就在弄这个，一开始后端的东西写的差不多了，想给网站写前端，然后发现，不是自己不会，是自己根本没有任何一点美术细胞，我知道什么好看，但是你让我空想，去创造，我脑子里一篇空白，什么都没有，连最简陋的界面我脑子都生成不出来，所以我一直都是无从下手，然后那个AI就又给我算命，说我适合底层，适合无UI的设计，我一想，确实啊，底层哪有什么UI，都是终端的东西，又因为自己之前就很想试试PWN，但是一直没学过，当然我不是说要学PWN，而是对底层感兴趣，我就正好趁着AI算命的这个契机，开始自己的底层的学习。

当时正处于做完build-own-your-x上的用C/C++实现redis的项目的结尾，我就问其他的AI，有没有什么好的底层的项目，然后就给我推荐了xv6，然后我就迈入xv6的天堂了。

不过，事实证明，xv6并不是很适合初学者直接进入这个课程，我就算是之前接触过8086汇编，自认为自己的底子还不错，但是操作系统和计算机组成原理都没有接触过，然后到结束发现xv6是很难的，适合有些基础的人来学习这个项目，这样能更容易的消化，否则，就必须接受长时间的无及时反馈，这个战线真的很长。

Statistics

Coding : 58+h reading : 60+h

toatl: 118+h

Done

xv6的学习，我是看的官方提供的书籍，因为我并不是很喜欢看视频，知识密度太低，当然看书也容易困，容易忘。然后xv6的主要题目都是每次看完一章后的实验也就是lab，

我就是按着官方的实验lab走的

• Lab util: Unix Utilities
• Lab syscall: System Calls
• Lab pgtable: Page Tables
• Lab trap: Traps
• Lab cow: Copy-On-Write
• Lab thread: Multithreading
• Lab net: Network driver
• Lab lock: Parallelism/Locking
• Lab fs: File System
• Lab mmap: Mmap

就像我上面说，这个战线很长，我每周都会用很长的时间来去看xv6的官方文档，然后再用很长的时间去理解要使用的代码。

这个挑战是很大的，因为对底层的知识几乎为0，我需要看很多的代码，去理解要去干嘛，而且RISCV汇编，我也是第一次接触，也是头一次才知道有CISC和RISC这个两个不同的汇编语言。

Harvest

尽管长时间的无反馈，但是收获也是很多的。

1. 知道了用户态如何调用系统函数，也就是trap的过程，需要从用户态陷入的内核态，再从trap.c中找到对应的系统调用，然后在内核态中执行对应的函数，然后使用copyout函数将结果返回给用户态。
2. 知道了内核态如何调用用户态，也就是syscall的过程，需要从内核态陷入的用户态，然后从syscall.c中找到对应的用户态函数，然后调用对应的用户态函数，然后使用copyin函数将结果返回给内核态。
3. 知道RISCV数据的存放的规则，调用的函数的参数会存放在a0-a7中，返回值会存放在a0中，然后从a0中获取返回值。
4. 也根据实验的要求看过RISCV的特权手册，专门找过PTE页表的权限位应该放在哪
5. 知道了虚拟地址和物理地址的寻找，转换，还有页表，以及TLB的工作原理。
6. 还有关于COW机制的实现，他涉及到fork和trap的联动，要在使用的时候才去分配物理内存，并设置相应的权限位。
7. 多线程中信号量，唤醒，虚假唤醒，互斥锁，空转，锁的顺序和死锁，还有内存屏障，以及关于减少锁竞争所提出的每个CPU一个锁，并实现的偷页的机制，来提高执行效率。
8. 还专门看了《英特尔PCI高速以太网控制器系列软件开发者手册》，这个名字比我命都长，我也是第一次看这种手册，里面的东西很多，让我误以为所有的东西都是要记住的，但是这也是不可能的，实际使用的东西并不多，尽管这个实验并不是自己做的，不过倒是知道RX，TX以及他们的从环中获取数据等的过程。
9. 至于mmap，我现在还没有能力来做这个实验，但是我大概了解了一下他的实现的过程，先在allocprocz中初始化vma数组参数，然后在sysfile中定义mmap和munmap，然后在mmap的时候校验参数，然后寻找vma然后初始化，在page fault的时候，在寻找一个空闲空间然后进行映射，顺便把数据写进去，最后就是释放，然后改一下exit退出时的清理vma和fork时复制vma。

能力方面，现在起码不再是0了，有上面这些基础了，尽管还有很多的东西没有掌握到，但是，我还在学嘛。

TODO

对当前项目来说：剩下的一点算是一点小遗憾吧，Mmap这个实验因为现在没有能力可以支撑我去做，只能暂时搁置了，不过也不是没有收获，我专门看了一下题解，了解了大致的思路，至于具体的是实现，就可以等到学rCore的时候，或者做Toy OS的时候，专门再去实现，那个时候，mmap作为最优雅的实验，一定会把我推过去解决mmap的

对以后来说：我选择了xv6或许是个艰难的底层的开始，也筛选出来，我确实可以走底层，毕竟要是真的学不下去的话，我连mmap我都做不到这，更遑论去了解一下，所以，xv6是我的一个开始，底层的路还很长，现在我还是属于坐井观天的状态，下面的时间，我的打算就是去先做完我的Nand2Tetris，然后去学习rCore顺便做自己的ToyOS，有时间去看linux内核源码，我还是想从User-->Developer，哈哈

当然，我倒是还想专门补一下，makefile的使用，CMake，以及一些linux上的性能分析工具，慢慢来吧，时间还很长。

Summary

这算是我的第一个底层的项目的完结吧，暑假实现的那个redis只能算是检验一下自己是否有耐心学习底层的东西，我嘛，就是想看看底层的样子，想把黑盒变成白盒，在xv6之后，再去看linux，视线开始变得清楚，我知道这个东西是怎么从用户态到内核态，然后从内核态转到用户态，我知道参数是怎么传递的，我知道.......

嗯，这个项目带给我都东西很多，我也不再是嘴上说着要学底层的人，而是进入底层的人了，感觉自己有点自大，哈哈，反正也没啥

反正kernel，os很精美，漂亮，天才，很多东西都值得我去看一看。

[  OK  ] fs: syncing xv6 file system
[  OK  ] fs: unmounting root (/) and flushing log
[  OK  ] net: e1000 driver stopped (tx idle, rx ring flushed)
[  OK  ] mm: COW pages freed: 42, TLB shootdowns: 7
[  OK  ] mm: page tables reclaimed, kalloc slabs released
[  OK  ] trap/syscall: pending signals cleared, ticks: 12345
[ WARN ] mmap: feature disabled in this build; skipping VMA teardown
[  OK  ] arch/riscv: SBI shutdown requested (hartid=0)
[  OK  ] power: system is powering down
reboot: Power down