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chapter5练习
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Lab3 编程作业
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进程创建
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大家一定好奇过为啥进程创建要用 fork + exec 这么一个奇怪的系统调用，就不能直接搞一个新进程吗？
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思而不学则殆，我们就来试一试！这章的编程练习请大家实现一个完全 DIY 的系统调用 spawn，用以创建一个新进程。
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spawn 系统调用定义( `标准spawn看这里 <https://man7.org/linux/man-pages/man3/posix_spawn.3.html>`_ )：
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.. code-block:: rust
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fn sys_spawn(path: *const u8) -> isize
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- syscall ID: 400
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- 功能：新建子进程，使其执行目标程序。
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- 说明：成功返回子进程id，否则返回 -1。
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- 可能的错误：
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- 无效的文件名。
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- 进程池满/内存不足等资源错误。
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TIPS：虽然测例很简单，但提醒读者 spawn **不必** 像 fork 一样复制父进程的地址空间。
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stride 调度算法
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ch3 中我们实现的调度算法十分简单。现在我们要为我们的 os 实现一种带优先级的调度算法：stride 调度算法。
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算法描述如下:
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(1) 为每个进程设置一个当前 pass，表示该进程当前已经运行的“长度”。另外设置其对应的 stride
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值（只与进程的优先权有关系），表示对应进程在调度后，pass 需要进行的累加值。
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(2) 每次需要调度时，从当前 runnable 态的进程中选择 pass 最小的进程调度。对于获得调度的进程 P，将对应的 pass 加上其对应的步长 stride。
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(3) 一个时间片后，回到上一步骤，重新调度当前 pass 最小的进程。
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可以证明，如果令 P.stride = BigStride / P.priority 其中 P.priority 表示进程的优先权（大于 1），而
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BigStride 表示一个预先定义的大常数，则该调度方案为每个进程分配的时间将与其优先级成正比。证明过程我们在这里略去，有兴趣的同学可以在网上查找相关资料。
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其他实验细节：
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- stride 调度要求进程优先级 :math:`\geq 2`，所以设定进程优先级 :math:`\leq 1` 会导致错误。
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- 进程初始 pass 设置为 0 即可。
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- 进程初始优先级设置为 16。
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为了实现该调度算法，内核还要增加 set_prio 系统调用
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.. code-block:: rust
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// syscall ID：140
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// 设置当前进程优先级为 prio
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// 参数：prio 进程优先级，要求 prio >= 2
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// 返回值：如果输入合法则返回 prio，否则返回 -1
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fn sys_set_priority(prio: isize) -> isize;
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实现 tips:
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- 你可以在TCB加入新的字段来支持优先级等。
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- 为了减少整数除的误差，BIG_STRIDE 一般需要很大，但为了不至于发生反转现象（详见问答作业），或许选择一个适中的数即可，当然能进行溢出处理就更好了。
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- stride 算法要找到 pass 最小的进程，使用优先级队列是效率不错的办法，但是我们的实验测例很简单，所以效率完全不是问题。事实上，很推荐使用暴力扫一遍的办法找最小值。
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- 注意设置进程的初始优先级。
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.. attention::
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为了让大家能在本编程作业中使用 ``Vec`` 等数据结构，我们利用第三方库 ``buddy_system_allocator``
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为大家实现了堆内存分配器，相关代码位于 ``mm/heap_allocator`` 模块。
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背景知识： `Rust 中的动态内存分配 <https://rcore-os.github.io/rCore-Tutorial-Book-v3/chapter4/1rust-dynamic-allocation.html>`_
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实验要求
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- `lab3(os5)参考框架: <https://github.com/LearningOS/rust-based-os-comp2022/tree/main/os5-ref>`_
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- 实验目录在 ``os5`` 。注意在reports中放入lab1-3的所有报告。
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- 通过所有测例。
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在 os5 目录下 ``make run BASE=2`` 加载所有测例， ``ch5_usertest`` 打包了所有你需要通过的测例，
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你也可以通过修改这个文件调整本地测试的内容, 或者单独运行某测例来纠正特定的错误。 ``ch5_stride``
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检查 stride 调度算法是否满足公平性要求，六个子程序运行的次数应该大致与其优先级呈正比，测试通过标准是
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:math:`\max{\frac{runtimes}{prio}}/ \min{\frac{runtimes}{prio}} < 1.5`.
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CI 的原理是用 ``ch5_usertest`` 替代 ``ch5b_initproc`` ，使内核在所有测例执行完后直接退出。
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从本章开始，你的内核必须前向兼容，能通过前一章的所有测例。
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- 开发并通过所有测例
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在 ``YOUR_LAB3_REPO_DIR`` 下进行编码（可学习参考 ``os5-ref/src`` 目录下的源代码，并在 ``os5/src`` 中完成编码），并进行编译测试。
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.. note::
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**测试方式**
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你的实现只需且必须通过测例，建议读者感到困惑时先检查测例
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如果实现正确，可在项目仓库的根目录下执行 ``make test5`` ，应该看到类似如下的显示输出：
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.. code-block:: console
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$ cd YOUR_LAB3_REPO_DIR
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$ make test5
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......
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[rustsbi] RustSBI version 0.2.2, adapting to RISC-V SBI v1.0.0
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.______ __ __ _______.___________. _______..______ __
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| _ \ | | | | / | | / || _ \ | |
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| |_) | | | | | | (----`---| |----`| (----`| |_) || |
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| / | | | | \ \ | | \ \ | _ < | |
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| |\ \----.| `--' |.----) | | | .----) | | |_) || |
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| _| `._____| \______/ |_______/ |__| |_______/ |______/ |__|
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[rustsbi] Implementation : RustSBI-QEMU Version 0.1.1
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[rustsbi] Platform Name : riscv-virtio,qemu
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[rustsbi] Platform SMP : 1
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[rustsbi] Platform Memory : 0x80000000..0x88000000
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[rustsbi] Boot HART : 0
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[rustsbi] Device Tree Region : 0x87000000..0x87000ef2
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[rustsbi] Firmware Address : 0x80000000
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[rustsbi] Supervisor Address : 0x80200000
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[rustsbi] pmp01: 0x00000000..0x80000000 (-wr)
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[rustsbi] pmp02: 0x80000000..0x80200000 (---)
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[rustsbi] pmp03: 0x80200000..0x88000000 (xwr)
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......
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[PASS] found <current time_msec = (\d+)>
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[PASS] found <Test wait OK42266!>
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[PASS] found <time_msec = (\d+) after sleeping (\d+) ticks, delta = (\d+)ms!>
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[PASS] found <Test 04_4 test OK42266!>
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[PASS] found <Test 04_6 ummap2 OK42266!>
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......
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[PASS] found <Test set_priority OK42266!>
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[PASS] found <Test write B OK42266!>
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[PASS] not found <FAIL: T.T>
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[PASS] not found <Should cause error, Test 04_2 fail!>
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[PASS] not found <Should cause error, Test 04_3 fail!>
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Test passed42266: 24/24
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stride ratio = [15202320, 13745266, 13849200, 12149100, 10944222, 9782240]
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[PASS] Stride Test
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Test passed42266: 1/1
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- 提交你的修改
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- 如果是基于GitHub Classroom 开发, 在本地环境或在线codespaces环境下，执行 ``git push`` 命令，提交修改的代码到gitub进行CI自动评测。如果评测结果是 红色小叉 （位于repo的中上位置），可进一步点击红色小叉查找具体出错时的CI执行情况。
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问答作业
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stride 算法深入
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stride 算法原理非常简单，但是有一个比较大的问题。例如两个 stride = 10 的进程，使用 8bit 无符号整形储存
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pass， p1.pass = 255, p2.pass = 250，在 p2 执行一个时间片后，理论上下一次应该 p1 执行。
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- 实际情况是轮到 p1 执行吗？为什么？
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我们之前要求进程优先级 >= 2 其实就是为了解决这个问题。可以证明， **在不考虑溢出的情况下** , 在进程优先级全部 >= 2
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的情况下，如果严格按照算法执行，那么 PASS_MAX – PASS_MIN <= BigStride / 2。
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- 为什么？尝试简单说明（不要求严格证明）。
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- 已知以上结论，**考虑溢出的情况下**，可以为 pass 设计特别的比较器，让 BinaryHeap<Pass> 的 pop
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方法能返回真正最小的 Pass。补全下列代码中的 ``partial_cmp`` 函数，假设两个 Pass 永远不会相等。
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.. code-block:: rust
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use core::cmp::Ordering;
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struct Pass(u64);
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impl PartialOrd for Pass {
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fn partial_cmp(&self, other: &Self) -> Option<Ordering> {
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// ...
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}
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}
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impl PartialEq for Pass {
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fn eq(&self, other: &Self) -> bool {
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false
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}
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}
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TIPS: 使用 8 bits 存储 pass, BigStride = 255, 则: ``(125 < 255) == false``, ``(129 < 255) == true``.
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报告要求
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- 简单总结你实现的功能（200字以内，不要贴代码）。
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- 完成问答题。
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- (optional) 你对本次实验设计及难度/工作量的看法，以及有哪些需要改进的地方，欢迎畅所欲言。
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