BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN HỆ ĐIỀU HÀNH Đề tài Project 1 Alarm clock và Project 2 System Calls

Đề tài: Project 1: Alarm clock và Project 2: System Calls TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN HỆ ĐIỀU HÀNH Đề tài: Project 1: Alarm clock và Project 2: System Calls Đề tài: Project 1: Alarm clock và Project 2: System Calls TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN HỆ ĐIỀU HÀNH Đề tài: Project 1: Alarm clock và Project 2: System Calls Đề tài: Project 1: Alarm clock và Project 2: System Calls TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN HỆ ĐIỀU HÀNH Đề tài: Project 1: Alarm clock và Project 2: System Calls Đề tài: Project 1: Alarm clock và Project 2: System Calls TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN HỆ ĐIỀU HÀNH Đề tài: Project 1: Alarm clock và Project 2: System Calls

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

HỆ ĐIỀU HÀNH

Đề tài: Project 1: Alarm clock và Project 2: System Calls

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Đình Hùng 20182555

Giảng viên hướng dẫn : TS Phạm Văn Tiến

Hà Nội, 12-2021

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, khoa học kĩ thuật trên thế giới ngày càng phát triển mạnh mẽ Khoa học

kĩ thuật đóng vai trò không thể thiếu trong đời sống hiện đại ngày nay của chúng ta nóhiện diện trong từng sản phẩm, từng vật dụng mà chúng ta sử dụng hàng ngày Vì vậyviệc học tập và đạo tạo, kế thừa và phát triển những thành tựu khoa học cho thế hệ mớingày nay là vô cùng quan trọng đặc biệt là thế hệ sinh viên Việc tiếp cận đó cần phảitiếp cận cả về mặt lí thuyết lẫn thực hành, như vậy việc học tập và đào tạo mới có thểđạt được hiệu quả tốt nhất, đáp ứng được cho xã hội nguồn nhân lực khoa học kĩ thuậtchất lượng cao Trong quá trình học tập học phần Hệ điều hành do thầy Phạm VănTiến giảng dạy chúng em đã được hướng dẫn, trợ giáo để hoàn thành việc thực hànhcác dự án trong khóa học về hệ điều hành Pintos

Sau khi trải qua một khoảng thời gian, nhóm chúng em đã cơ bản hoàn thành việclập trình để hiểu hơn về hệ điều hành Pintos, giải quyết được một vấn đề trong hệ điềuhành này Trong bài báo cáo này, nhóm chúng em sẽ đi trình bày cụ thể những gì đãlàm được trong những tuần vừa qua thông qua 4 chương sau:

Chương 1: Giới thiệu hệ điều hành Pintos

Chương 2: Alarm Clock

Chương 3: System Calls

Chương 4: Kết luận

Nhóm xin chân thành cảm ơn TS Phạm Văn Tiến đã tận tâm hướng dẫn chúng emtrong quá trình tìm hiểu và hoàn thiện báo cáo này!

M C L C Ụ Ụ

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU HỆ ĐIỀU HÀNH PINTOS 3

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 6 Sơ đồ tương tác giữa chương trình người dùng và OS 10Hình 7 Cấu trúc thành phần của layout Virtual Memory 11

Hình 10 Kết quả sau khi đã make check test system calls 19

i

Các vấn

đề

Nguyễn Đình Hùng Nguyễn Anh Đức Phạm Huy Hoàng

1 Alarm - Triển khai cơ chế sleep - Phân tích chức năng các - Triển khai cơ chế

sleepClock and wake up hàm cần sửa đổi mã and wake up

- Bổ sung các biến và nguồn - Sửa mã nguồn và chạy

- Sửa mã nguồn và chạythử nghiệm cuối cùng

(đãpass hết)

2 System - Phân tích chức năng, - Phân tích chức năng, - Phân tích chức năng,Calls chỉnh sửa mã nguồn, chỉnh sửa mã nguồn và chỉnh sửa mã nguồn và

kiểm thử các hàm liên kiểm thử các hàm liên kiểm thử các hàm liênquan đến các tiến trình quan đến filesystem: quan đến filesystem:process: halt, exit, exec, create, remove, open, read, write, seek, tell,wait(đã pass hết) filesize (đã pass hết) close (đã pass hết)

BẢNG PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC

ii

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU HỆ ĐIỀU HÀNH PINTOS

Chương này giới thiệu tổng quan về hệ điều hành Pintos và tổng quan về cây thưmục nguồn của hệ điều hành Pintos

Stanford đưa ra 4 Project dựa trên hệ điều hành Pintos:

Project 1: Threads – Luồng

Project 2: User Programs – Chương trình người dùng

Project 3: Virtual Memory – Bộ nhớ ảo

Project 4: File Systems – Hệ thống file

Ngoài ra Stanford đưa ra CS140 Problem Set 0: Synchronization – Đồng bộ hóa đểsinh viên làm quen với mã nguồn của Pintos Khi người dùng triển khai thành công(PASS các bài TEST) các nội dung được đề ra này, hệ điều hành Pintos sẽ hoạt độnghiệu quả, hiệu suất cao, tiết kiêm các tài nguyên của bộ nhớ, năng lượng và thời giancủa máy tính Trong báo cáo sẽ sử dụng QEMU là trình mô phỏng

1.2 Cây thư mục nguồn

Quan sát vào bên trong mã nguồn Đây là cấu trúc thư mục trong master/src”

Mã nguồn cho hệ thống tệp cơ bản Bạn sẽ sử dụng tệp này bắt đầu với Project 2, nhưng bạn sẽ không sửa đổi nó cho đến Project 4.

3

4

Hình 1 Sơ đồ FSM của một threads

Trong Pintos, các trạng thái của luồng được khai báo bởi cấu trúc “enum

thread_status”

THREAD_RUNNING: Luồng đang chiếm CPU và làm việc trong CPU.

THREAD_READY: Luồng sẵn sàng làm việc nhưng chưa được đưa vào CPU,

được đặt trong hàng đợi ready queue chờ đến lượt

THREAD_BLOCKED: Luồng đang chờ một sự kiện nào đó xảy ra mới tiếp tục làm việc Khi đó luồng được đưa vào trạng thái THREAD_BLOCKED để

nhường CPU cho các luồng khác trong ready queue làm việc

THREAD_DYING: Luồng đã thực hiện xong việc và được TERMINATED Nó

sẽ được tiêu hủy

Các hàm chuyển đổi giữa các trạng thái của luồng được mô tả ở hình dưới Chúng được khởi tạo trong “src/threads/thread.c”

Hình 2 Sơ đồ hàm chuyển trạng thái của threads

5

Cấu trúc của luồng được khai báo trong “threads/thread.h”:

tid_t_tid: Thread identifier

enum thread_status status: Thread state

char name[16]: Name (for debugging purpose)

uint8_t *stack: Saved stack pointer

int priority: Priority (from 0 to 63)

int base_priority: Base priority for priority donation struct list_elem allelem: List element for all threads list struct list_elem elem: List element

unit32_t *pagedir: Page directory

usigned magic: Detects stack overflow

6

CHƯƠNG 2 ALARM CLOCK

Chương này mô tả mục tiêu, phương pháp, triển khai mã nguồn, mô tả mã nguồn

đã sửa đổi, bổ sung giải quyết vấn đến Alarm Clock trong Project 1 của Pintos

2.1 Vấn đề Alarm Clock

Thực hiện lại timer_sleep(), được đặt trong “devices/timer.c” Mặc dù nó đã hoạt động nhưng nó “busy wait”, tức là nó quay trong một vòng lặp để kiểm tra thời gian hiện tại và gọi thread_yield() cho đến khi đủ thời gian trôi qua Yêu cầu thực hiện lại

để tránh “busy waiting”.

Chức năng của void timer_sleep (int64_t ticks) : tạm dừng thực hiện chuỗi cuộc

gọi cho đến khi thời gian trôi qua ít nhất x ticks timer Trừ khi idle_thread, luồng không cần thức dậy sau đúng x ticks timer Chỉ cần đặt nó vào hàng đợi ready queue

sau khi nó đợi đúng khoảng thời gian

Vòng lặp gây ra “busy waiting”

while (timer_elapsed (start) < ticks)

thread_yield ();

Vòng lặp này sẽ được thực hiện liên tục cho đến khi số ticks trong timer_sleep() lớn hơn số ticks yêu cầu được trả về từ timer_elapsed (start) Nó chỉ thực hiện duy nhất một việc kiểm tra điều kiện và gọi hàm thread_yield() khi thỏa mãn điều kiện Chức năng của thread_yield() trong “threads/thread.c”, sau khi gọi hàm, luồng

đang chạy được đưa về trạng thái THREAD_READY Cụ thể, hàm này sẽ kiểm tra

luồng hiện tại có phải “idle_thread” không Nếu không, luồng sẽ được thêm vào hàng đợi “ready list” Sau đó, luồng được đưa về trạng thái THREAD_READY và nhường CPU cho schedule()

7

Hình 3 Mô tả chức năng của hàm thread_yield().

Do sử dụng vòng lặp while() nên luồng ra vào hàng đợi ready_list liên tục đến khi

vòng lặp kết thúc Việc này gây ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ điều hành

2.2 Mô tả mục tiêu

Thực hiện lại timer_sleep(), được đặt trong “devices/timer.c” Mặc dù nó đã hoạt động nhưng nó “busy wait”, tức là nó quay trong một vòng lặp để kiểm tra thời gian hiện tại và gọi thread_yield() cho đến khi đủ thời gian trôi qua Yêu cầu thực hiện lại

để tránh “busy waiting”.

2.3 Phương pháp giải quyết

Đối với mỗi luồng trong Pintos, luồng sẽ chuyển sang trạng thái sleep nếu không

có nhu cầu sử dụng CPU và sẽ được đánh thức sau một khoảng thời gian Cụ thể, mỗi

luồng có một thời gian gian wakeup_ticks để ngủ trước khi nó được đánh thức Đầu tiên, luồng được khởi tạo wakeup_ticks, sau đó thêm vào hàng đợi sleeping_list và sắp

xếp theo thứ tự tăng dần thời gian ngủ Khi đó luồng được đưa sang trạng thái

8

Hình 4 Cơ chế sleep and wake up.

2.4 Triển khai mã nguồn

Các hàm cần triển khai cho quá trình sửa đổi mã nguồn nằm trong file thread.c, thread.h trong thư mục “src/threads/” và “src/devices/timer.c”.

thread_block(): Cho luồng hiện tại đi ngủ (trạng thái THREAD_BLOCKED)

Nó sẽ không được schedule() cho đến khi được đánh thức bởi

vượt quá time slice chưa (time slice được khai báo là 4 ticks), nếu đã hết thời gian nó

sẽ gọi hàm intr_yield_on_return() để thực hiện context switch, sau đó gọi hàm thread_unblock() đánh thức luồng đang ngủ Việc đưa luồng vào trạng thái ngủ được thực hiện trong hàm timer_sleep() như được mô tả trong mục 2.4

2.5 Mô tả mã nguồn đã sửa đổi, bổ sung

 Các biến được thêm vào cấu trúc thread trong threads/thread.h:

9

int64_t sleeping_ticks: Thời gian ngủ cho đến khi được đánh thức

của luồng

 Các hàm được thêm vào threads/thread.c:

thread_wakeup(): Đánh thức các threads không bận.

thread_sleep(): Đặt chế độ ngủ để tránh việc busy waiting.

thread_insert_sleep_list(): đẩy vào cuối hàng đợi ready_list để chờ

làm việc với CPU

 Các biến và hàm thêm vào threads/thread.c:

static struct list sleeping_list: Danh sách chờ của các luồng trong

timer_sleep.

 Các hàm được chỉnh sửa theo giải pháp trên:

threads/thread.c: thread_init(), thread_tick() threads/timer.c: timer_sleep().

2.6 Kết quả

Kết quả sau khi kiểm tra bằng lệnh make check đã pass 5/5 test case của alarm

clock

10

Hình 5 Kết quả sau khi make check test alarm-clock

CHƯƠNG 3 SYSTEM CALLS

Chương này mô tả mục tiêu, phương pháp, triển khai mã nguồn, mô tả mã nguồn

đã sửa đổi, bổ sung giải quyết vấn đề System Calls trong Project 2 của Pintos.

3.1 Đặt vấn đề

Khi làm việc trên Pintos với các phần của hệ thống mà cho phép chạy chương trìnhngười dùng, ta nhận thấy mã nguồn cơ bản của hệ thống chỉ hỗ tải và chạy chươngtrình người dùng nhưng lại không thể thực hiện tương tác hoặc các thiết lập vào ra I/O

Do đó cần thông qua các các cuộc gọi hệ thống (System Calls) ta sẽ kích hoạt cácchương trình tương tác với hệ điều hành

11

Hình 6 Sơ đồ tương tác giữa chương trình người dùng và OS

Để cài đặt các system call, trước hết cần tìm hiểu thao tác đọc và ghi một cách an toàn các dữ liệu đang có trong không gian bộ nhớ ảo của các tiến trình cấp độ người dùng Các tham số của system call nằm trong stack của tiến trình người dùng, ngay bên trên con trỏ stack.

Hình 7 Cấu trúc thành phần của layout Virtual Memory

Chú ý rằng, nếu con trỏ stack không hợp lệ khi một chương trình gọi một system call, nhân của hệ điều hành sẽ không thể bị crash Một số tham số của system call là con trỏ chỉ đến buffer bên trong không gian địa chỉ của tiến trình

12

người dùng, những buffer này có thể không hợp lệ bất cứ lúc nào nên cần phải cẩn thận khi thực hiện các thao tác với chúng Cần phải xử lý trường hợp một system call không được thực thi trọn vẹn vì lỗi truy cập bộ nhớ không hợp lệ Các lỗi này bao gồm con trỏ null, con trỏ không hợp lệ (trỏ đến vùng nhớ chưa được ánh xạ) hoặc con trỏ của vùng nhớ nhân hệ điều hành Đặc biệt, có thể xảy

ra trường hợp một vùng nhớ 4 byte chứa 2 byte nhớ hợp lệ và 2 byte nhớ không hợp lệ, nếu vùng nhớ này nằm trên biên của bảng phân trang Khi xảy ra trường hợp này, cần phải chấm dứt (terminate) tiến trình người dùng.

3.3 Yêu cầu triển khai

Mã nguồn Pintos đã có sẵn trình xử lí các cuộc gọi hệ thống (system calls handler) dưới dạng ngắt 0x30 nằm trong userprog/syscall.c Khi gọi cuộc gọi hệ thống thì trình

xử lí sử dụng số cuộc gọi hệ thống (system call number) Sau đó kiểm tra tính hợp lệcủa con trỏ trong danh sách tham số đầu vào, con trỏ này sẽ chỏ tới vùng người dùngthì hợp lệ Theo quy ước gọi, system call sẽ được gọi bới một giá trị 4 byte được trỏbởi con trỏ esp Nó có thể lấy bằng cách tham chiếu đến đến giá trị trong stack user(địa chỉ esp + 4, esp + 8,…) Cuối cùng trình xử lí cuộc gọi hệ thống sẽ sao chép cácđối số trên user stack vào kernel và lưu kết quả của lệnh gọi hệ thống trên thanh ghiEAX Các cuộc gọi hệ thống được định nghĩa ở src/lib/syscall_nr.h.

13

Hình 8 Sơ đồ xử lí các cuộc gọi hệ thống

Theo như yêu cầu của vấn đề System Calls (project 2 Pintos) đề ra , ta sẽ cần phảixây dựng các lệnh system calls cho hệ thống với những yêu cầu cụ thể cho từng lệnhgọi như sau :

System Call: void halt (void): Lệnh system call này để kết thúc Pintos.

System Call: void exit (int status): Chấm dứt chương trình người dùng hiện tại,

trả lại hiện trạng cho kernel Nếu vẫn đang có tiến trình cha (parent process) nào đó đang chờ thì sẽ trả về trạng thái, trạng thái 0 cho biết thành công và còn giá trị khác không sẽ cho biết rằng có lỗi

System Call: pid_t exec (const char * cmd_line): Tạo tiến trình con (child

process) và thực thi chương trình tương ứng với cmd_line Chuyền vào giá trị

đối số nào đó và nhận được kết quả trả về pid (process's program id ).Kết quả

trả về phải là pid -1, nếu không thì đó là pid không hợp lệ, nguyên nhân có thể chương trình không thể tải hoặc không chạy vì lí do gì đó Khi ấy, tiến trình cha không thể trả về từ trình thực thi khi tiến trình con chưa thực thi xong

System call: int wait (pid_t pid): Chờ tiến trình con xử lí pid và trả về trạng

thái pid đến exit Nếu pid vẫn chưa kết thúc, cần đợi kết thúc mới thôi Sau đó,trả về trạng thái mà pid khi hoàn thành để thoát Nếu pid không gọi exit () để thoát, nhưng đã bị kernel kết thúc (có thể do ngoại lệ xảy ra), thì wait (pid) sẽ trả về -1 Một tiến trình cha có thể gọi đợi tiến trình con đã kết thúc và trả về trạng thái exit của tiến trình con hoặc biết được tiến trình con đó đã bị kết thúcbởi kernel wait () thất bại và trả về -1 nếu:

14

+ pid không tham chiếu trực tiếp tới tiến trình con trong chuỗi gọi.

+ Tiến trình cần gọi wait vốn đã được gọi wait() thành công trên pid

Lưu ý: Tất cả tài nguyên của một tiến trình, bao gồm struct thread của nó , phảiđược giải phóng cho dù tiến trình cha của nó có đợi nó hay không bất kể việc tiến trìnhcon thoát trước hay sau tiến trình cha

Hình 9 Sơ đồ luồng điều khiển

System Call: bool create (const char * file, unsigned initial_size): Tạo một file

mới với đối số đầu vào là tên file và kích thước khởi tạo ban đầu ( đơn vị byte) Kết quả trả về true nếu thành công, trả về false nếu thất bại Việc tạo file mới sẽkhông theo kèm luôn việc mở file mới đó Mở file mới tạo là một thao tác riêngbiệt sẽ yêu cầu lệnh gọi hệ thống mở

System call: bool remove (const char * file): Thực hiện xoá file ,đối số đầu vào

là tên file cần xoá Kết quả trả về sau gọi hàm là true nếu thành công, trả về false nếu thất bại Một file có thể bị xóa bất kể nó đang mở hay đóng và việc xóa file đang mở sẽ không đóng file đó Xem xóa file đang mở để biết chi tiết

System call: int open (const char * file): Thực hiện mở file Trả về một giá trị

nguyên không âm được gọi là "file descriptor" (fd) hoặc trả về -1 nếu không thể

mở file (Các fd được đánh số 0 và 1 thể hiện cho bộ điều khiển: fd 0

(STDIN_FILENO) là đầu vào tiêu chuẩn, fd 1 (STDOUT_FILENO) là đầu ra tiêuchuẩn Lệnh gọi hệ thống mở file sẽ không trả về fd 0 hay fd 1 Mỗi tiến trình

15

có một fd độc lập Các tiến trình con sẽ không được kế thừa fd từ tiến trình cha.Khi một file được mở nhiều lần, dù được mở bởi một tiến trình hay nhiều tiến trình thì mỗi lần mở sẽ trả về một fd mới Có thể có nhiều fd khác nhau cho một file giúp việc gọi lệnh đóng file là độc lập và tách biệt khi mà file đó đang

mở ở nhiều tiến trình)

System call: int filesize (int fd): Trả về kích thước file tính theo byte Đối số

đầu vào của filesize() là fd của file cần tính kích thước

System call: int read (int fd, void * buffer, unsigned size): Đọc các byte kích

thước từ file đang mở ( dựa vào fd để xác định file đang mở cần đọc) vào bộ đệm Trả về số bytes thực sự được đọc (0 ở cuối file) hoặc -1 nếu file không thể đọc được Với fd =0 sẽ thực hiện đọc kí tự từ bàn phím

System call: int write (int fd, const void * buffer, unsigned size): Ghi kích

thước bytes từ bộ đệm buffer vào file đang mở Trả về số bytes được ghi (có thể nhỏ hơn kích thước vì có thể có một số byte không ghi được) Nếu ghi vào phần cuối file sẽ làm mở rộng kích thước file (trước khi sửa đổi mã nguồn, việc

mở rộng file như vậy thì hệ thống file cơ bản (file system) của mã nguồn gốc không thực hiện được) Nhiệm vụ lệnh write là ghi càng nhiều bytes càng tốt vào cuối file và trả về số lượng byte thực tế được ghi hoặc trả về 0 nếu không ghi được byte nào Với fd =1 sẽ ghi dữ liệu ra console , cần đảm bảo kích thướcghi không lớn hơn vài trăm byte Nếu các bộ đệm lớn quá có thể thực hiện chia nhỏ, nếu không, các dòng văn bản xuất ra từ các tiến trình khác nhau có thể bị xen kẽ trên console, gây nhầm lẫn cho cả người đọc hoặc gây lỗi khi thực hiện các lệnh tiếp theo

System call: void seek (int fd, unsigned position): Lệnh gọi tìm kiếm seek, 2

đối số đầu vào là fd của file và vị trí cần tìm kiếm trong file đó Thực hiện bằngcách thay đổi byte tiếp theo được đọc hoặc ghi trong file đang mở thành vị trí xác định của byte đó Vị trí 0 được tính là vị trí bắt đầu file Nếu vị trí tìm kiếmcần tìm nằm ngoài cả dữ liệu cuối cùng của file thì sẽ thu được 0 bytes, ta cũng

sẽ hiểu đó là vị trí cuối của file Việc ghi sau đó sẽ gây mở rộng file, khoảng trằng cuối file sẽ được lấp đầy bằng các số 0 ( Tại project 2 này thì ta không thay đổi được trong file Pintos vì file có độ dài cố định, nếu muốn thì sau khi project 4 hoàn thành mới thực hiện được )

System call: unsigned tell (int fd): Trả về vị trí của byte tiếp theo được đọc

hoặc ghi trong file đang mở, vị trí trả về tính theo bytes (tính từ đầu file là 0)

System call: void close (int fd): Đóng file fd Việc thoát hoặc kết thúc một tiến

trình sẽ đóng lần lượt tất cả fd đang mở