Caffeinated 6.828：实验 3：用户环境
简介
在本实验中，你将要实现一个基本的内核功能，要求它能够保护运行的用户模式环境（即：进程）。你将去增强这个 JOS 内核，去配置数据结构以便于保持对用户环境的跟踪、创建一个单一用户环境、将程序镜像加载到用户环境中、并将它启动运行。你也要写出一些 JOS 内核的函数，用来处理任何用户环境生成的系统调用，以及处理由用户环境引进的各种异常。
注意： 在本实验中，术语**“环境”** 和**“进程”** 是可互换的 —— 它们都表示同一个抽象概念，那就是允许你去运行的程序。我在介绍中使用术语**“环境”而不是使用传统术语“进程”**的目的是为了强调一点，那就是 JOS 的环境和 UNIX 的进程提供了不同的接口，并且它们的语义也不相同。
预备知识
使用 Git 去提交你自实验 2 以后的更改（如果有的话），获取课程仓库的最新版本，以及创建一个命名为 lab3 的本地分支，指向到我们的 lab3 分支上 origin/lab3 ：
athena% cd ~/6.828/lab
athena% add git
athena% git commit -am 'changes to lab2 after handin'
Created commit 734fab7: changes to lab2 after handin
4 files changed, 42 insertions(+), 9 deletions(-)
athena% git pull
Already up-to-date.
athena% git checkout -b lab3 origin/lab3
Branch lab3 set up to track remote branch refs/remotes/origin/lab3.
Switched to a new branch "lab3"
athena% git merge lab2
Merge made by recursive.
kern/pmap.c | 42 +++++++++++++++++++
1 files changed, 42 insertions(+), 0 deletions(-)
athena%
实验 3 包含一些你将探索的新源文件：
inc/ env.h Public definitions for user-mode environments
trap.h Public definitions for trap handling
syscall.h Public definitions for system calls from user environments to the kernel
lib.h Public definitions for the user-mode support library
kern/ env.h Kernel-private definitions for user-mode environments
env.c Kernel code implementing user-mode environments
trap.h Kernel-private trap handling definitions
trap.c Trap handling code
trapentry.S Assembly-language trap handler entry-points
syscall.h Kernel-private definitions for system call handling
syscall.c System call implementation code
lib/ Makefrag Makefile fragment to build user-mode library, obj/lib/libjos.a
entry.S Assembly-language entry-point for user environments
libmain.c User-mode library setup code called from entry.S
syscall.c User-mode system call stub functions
console.c User-mode implementations of putchar and getchar, providing console I/O
exit.c User-mode implementation of exit
panic.c User-mode implementation of panic
user/ * Various test programs to check kernel lab 3 code
另外，一些在实验 2 中的源文件在实验 3 中将被修改。如果想去查看有什么更改，可以运行：
$ git diff lab2
你也可以另外去看一下 实验工具指南，它包含了与本实验有关的调试用户代码方面的信息。
实验要求
本实验分为两部分：Part A 和 Part B。Part A 在本实验完成后一周内提交；你将要提交你的更改和完成的动手实验，在提交之前要确保你的代码通过了 Part A 的所有检查（如果你的代码未通过 Part B 的检查也可以提交）。只需要在第二周提交 Part B 的期限之前代码检查通过即可。
由于在实验 2 中，你需要做实验中描述的所有正则表达式练习，并且至少通过一个挑战（是指整个实验，不是每个部分）。写出详细的问题答案并张贴在实验中，以及一到两个段落的关于你如何解决你选择的挑战问题的详细描述，并将它放在一个名为 answers-lab3.txt 的文件中，并将这个文件放在你的 lab 目标的根目录下。（如果你做了多个问题挑战，你仅需要提交其中一个即可）不要忘记使用 git add answers-lab3.txt 提交这个文件。
行内汇编语言
在本实验中你可能发现使用了 GCC 的行内汇编语言特性，虽然不使用它也可以完成实验。但至少你需要去理解这些行内汇编语言片段，这些汇编语言（asm 语句）片段已经存在于提供给你的源代码中。你可以在课程 参考资料 的页面上找到 GCC 行内汇编语言有关的信息。
Part A：用户环境和异常处理
新文件 inc/env.h 中包含了在 JOS 中关于用户环境的基本定义。现在就去阅读它。内核使用数据结构 Env 去保持对每个用户环境的跟踪。在本实验的开始，你将只创建一个环境，但你需要去设计 JOS 内核支持多环境；实验 4 将带来这个高级特性，允许用户环境去 fork 其它环境。
正如你在 kern/env.c 中所看到的，内核维护了与环境相关的三个全局变量：
struct Env *envs = NULL; // All environments
struct Env *curenv = NULL; // The current env
static struct Env *env_free_list; // Free environment list
一旦 JOS 启动并运行，envs 指针指向到一个数组，即数据结构 Env，它保存了系统中全部的环境。在我们的设计中，JOS 内核将同时支持最大值为 NENV 个的活动的环境，虽然在一般情况下，任何给定时刻运行的环境很少。（NENV 是在 inc/env.h 中用 #define 定义的一个常量）一旦它被分配，对于每个 NENV 可能的环境，envs 数组将包含一个数据结构 Env 的单个实例。
JOS 内核在 env_free_list 上用数据结构 Env 保存了所有不活动的环境。这样的设计使得环境的分配和回收很容易，因为这只不过是添加或删除空闲列表的问题而已。
内核使用符号 curenv 来保持对任意给定时刻的 当前正在运行的环境 进行跟踪。在系统引导期间，在第一个环境运行之前，curenv 被初始化为 NULL。
环境状态
数据结构 Env 被定义在文件 inc/env.h 中，内容如下：（在后面的实验中将添加更多的字段）：
struct Env {
struct Trapframe env_tf; // Saved registers
struct Env *env_link; // Next free Env
envid_t env_id; // Unique environment identifier
envid_t env_parent_id; // env_id of this env's parent
enum EnvType env_type; // Indicates special system environments
unsigned env_status; // Status of the environment
uint32_t env_runs; // Number of times environment has run
// Address space
pde_t *env_pgdir; // Kernel virtual address of page dir
};
以下是数据结构 Env 中的字段简介：
env_tf： 这个结构定义在inc/trap.h中，它用于在那个环境不运行时保持它保存在寄存器中的值，即：当内核或一个不同的环境在运行时。当从用户模式切换到内核模式时，内核将保存这些东西，以便于那个环境能够在稍后重新运行时回到中断运行的地方。env_link： 这是一个链接，它链接到在env_free_list上的下一个Env上。env_free_list指向到列表上第一个空闲的环境。env_id： 内核在数据结构Env中保存了一个唯一标识当前环境的值（即：使用数组envs中的特定槽位）。在一个用户环境终止之后，内核可能给另外的环境重新分配相同的数据结构Env—— 但是新的环境将有一个与已终止的旧的环境不同的env_id，即便是新的环境在数组envs中复用了同一个槽位。env_parent_id： 内核使用它来保存创建这个环境的父级环境的env_id。通过这种方式，环境就可以形成一个“家族树”，这对于做出“哪个环境可以对谁做什么”这样的安全决策非常有用。env_type： 它用于去区分特定的环境。对于大多数环境，它将是ENV_TYPE_USER的。在稍后的实验中，针对特定的系统服务环境，我们将引入更多的几种类型。env_status： 这个变量持有以下几个值之一：ENV_FREE： 表示那个Env结构是非活动的，并且因此它还在env_free_list上。ENV_RUNNABLE: 表示那个Env结构所代表的环境正等待被调度到处理器上去运行。ENV_RUNNING: 表示那个Env结构所代表的环境当前正在运行中。ENV_NOT_RUNNABLE: 表示那个Env结构所代表的是一个当前活动的环境，但不是当前准备去运行的：例如，因为它正在因为一个来自其它环境的进程间通讯（IPC）而处于等待状态。ENV_DYING： 表示那个Env结构所表示的是一个僵尸环境。一个僵尸环境将在下一次被内核捕获后被释放。我们在实验 4 之前不会去使用这个标志。
env_pgdir： 这个变量持有这个环境的内核虚拟地址的页目录。
就像一个 Unix 进程一样，一个 JOS 环境耦合了“线程”和“地址空间”的概念。线程主要由保存的寄存器来定义（env_tf 字段），而地址空间由页目录和 env_pgdir 所指向的页表所定义。为运行一个环境，内核必须使用保存的寄存器值和相关的地址空间去设置 CPU。
我们的 struct Env 与 xv6 中的 struct proc 类似。它们都在一个 Trapframe 结构中持有环境（即进程）的用户模式寄存器状态。在 JOS 中，单个的环境并不能像 xv6 中的进程那样拥有它们自己的内核栈。在这里，内核中任意时间只能有一个 JOS 环境处于活动中，因此，JOS 仅需要一个单个的内核栈。
为环境分配数组
在实验 2 的 mem_init() 中，你为数组 pages[] 分配了内存，它是内核用于对页面分配与否的状态进行跟踪的一个表。你现在将需要去修改 mem_init()，以便于后面使用它分配一个与结构 Env 类似的数组，这个数组被称为 envs。
练习 1、修改在
kern/pmap.c中的mem_init()，以用于去分配和映射envs数组。这个数组完全由Env结构分配的实例NENV组成，就像你分配的pages数组一样。与pages数组一样，由内存支持的数组envs也将在UENVS（它的定义在inc/memlayout.h文件中)中映射用户只读的内存，以便于用户进程能够从这个数组中读取。
你应该去运行你的代码，并确保 check_kern_pgdir() 是没有问题的。
创建和运行环境
现在，你将在 kern/env.c 中写一些必需的代码去运行一个用户环境。因为我们并没有做一个文件系统，因此，我们将设置内核去加载一个嵌入到内核中的静态的二进制镜像。JOS 内核以一个 ELF 可运行镜像的方式将这个二进制镜像嵌入到内核中。
在实验 3 中，GNUmakefile 将在 obj/user/ 目录中生成一些二进制镜像。如果你看到 kern/Makefrag，你将注意到一些奇怪的的东西，它们“链接”这些二进制直接进入到内核中运行，就像 .o 文件一样。在链接器命令行上的 -b binary 选项，将因此把它们链接为“原生的”不解析的二进制文件，而不是由编译器产生的普通的 .o 文件。（就链接器而言，这些文件压根就不是 ELF 镜像文件 —— 它们可以是任何东西，比如，一个文本文件或图片！）如果你在内核构建之后查看 obj/kern/kernel.sym ，你将会注意到链接器很奇怪的生成了一些有趣的、命名很费解的符号，比如像 _binary_obj_user_hello_start、_binary_obj_user_hello_end、以及 _binary_obj_user_hello_size。链接器通过改编二进制文件的命令来生成这些符号；这种符号为普通内核代码使用一种引入嵌入式二进制文件的方法。
在 kern/init.c 的 i386_init() 中，你将写一些代码在环境中运行这些二进制镜像中的一种。但是，设置用户环境的关键函数还没有实现；将需要你去完成它们。
练习 2、在文件
env.c中，写完以下函数的代码：
env_init()初始化
envs数组中所有的Env结构，然后把它们添加到env_free_list中。也称为env_init_percpu，它通过配置硬件，在硬件上为 level 0（内核）权限和 level 3（用户）权限使用单独的段。
env_setup_vm()为一个新环境分配一个页目录，并初始化新环境的地址空间的内核部分。
region_alloc()为一个新环境分配和映射物理内存
load_icode()你将需要去解析一个 ELF 二进制镜像，就像引导加载器那样，然后加载它的内容到一个新环境的用户地址空间中。
env_create()使用
env_alloc去分配一个环境，并调用load_icode去加载一个 ELF 二进制
env_run()在用户模式中开始运行一个给定的环境
在你写这些函数时，你可能会发现新的 cprintf 动词
%e非常有用 – 它可以输出一个错误代码的相关描述。比如：r = -E_NO_MEM; panic("env_alloc: %e", r);中 panic 将输出消息 env_alloc: out of memory。
下面是用户代码相关的调用图。确保你理解了每一步的用途。
start(kern/entry.S)i386_init(kern/init.c)cons_initmem_initenv_inittrap_init（到目前为止还未完成）env_createenv_runenv_pop_tf
