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# xv6-labs: Copy-On-Write (COW) Fork 实验详细总结
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## 实验目标
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实现 xv6 操作系统的 COW（写时复制）fork：
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- fork 时父子进程共享物理页，只有在写入时才真正分配和复制物理页。
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- 提高 fork+exec 的效率，减少不必要的内存拷贝。
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## 主要实现步骤与详细代码
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### 1. 物理页引用计数
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**文件：kernel/kalloc.c**
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- 在文件顶部添加：
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```c
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#define NPAGE ((PHYSTOP - KERNBASE) / PGSIZE)
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static int refcnt[NPAGE];
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static inline int pa2idx(void *pa) { return ((uint64)pa - KERNBASE) / PGSIZE; }
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```
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- kalloc 分配新页时：
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```c
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if(r) {
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memset((char*)r, 5, PGSIZE);
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int idx = pa2idx((void*)r);
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refcnt[idx] = 1;
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}
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```
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- kfree 释放页时：
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```c
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int idx = pa2idx(pa);
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acquire(&kmem.lock);
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if(refcnt[idx] > 1) {
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refcnt[idx]--;
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release(&kmem.lock);
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return;
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}
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refcnt[idx] = 0;
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release(&kmem.lock);
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memset(pa, 1, PGSIZE);
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// ...加入空闲链表...
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```
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- 增加辅助函数：
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```c
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void incref(void *pa) { refcnt[pa2idx(pa)]++; }
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void decref(void *pa) { refcnt[pa2idx(pa)]--; }
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int getref(void *pa) { return refcnt[pa2idx(pa)]; }
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```
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### 2. PTE 标记 COW
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**文件：kernel/riscv.h**
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```c
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#define PTE_COW (1L << 8) // 使用RSW位标记COW
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```
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### 3. 修改 uvmcopy 实现 COW fork
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**文件：kernel/vm.c**
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- 在文件头部声明：
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```c
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void incref(void *pa);
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```
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- 修改 uvmcopy：
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```c
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int uvmcopy(pagetable_t old, pagetable_t new, uint64 sz) {
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...
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for(i = 0; i < sz; i += PGSIZE){
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...
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pa = PTE2PA(*pte);
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flags = PTE_FLAGS(*pte);
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if(flags & PTE_W) {
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flags = (flags & ~PTE_W) | PTE_COW;
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*pte = PA2PTE(pa) | flags;
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}
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if(mappages(new, i, PGSIZE, pa, flags) != 0){
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uvmunmap(new, 0, i / PGSIZE, 0);
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return -1;
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}
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incref((void*)pa);
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}
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return 0;
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}
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```
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### 4. usertrap 处理写页错误
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**文件：kernel/trap.c**
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- 在文件头部声明：
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```c
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void kfree(void *pa);
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void *kalloc(void);
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```
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- 在 usertrap() 添加COW处理：
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```c
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else if((scause == 15 || scause == 13)) { // store/load page fault
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pte_t *pte = walk(p->pagetable, stval, 0);
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if(pte && (*pte & PTE_V) && (*pte & PTE_U) && (*pte & PTE_COW)) {
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uint64 pa = PTE2PA(*pte);
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char *mem = kalloc();
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if(mem == 0) {
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setkilled(p);
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} else {
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memmove(mem, (void*)pa, PGSIZE);
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*pte = PA2PTE(mem) | (PTE_FLAGS(*pte) & ~PTE_COW) | PTE_W;
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kfree((void*)pa);
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}
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} else {
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setkilled(p);
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}
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}
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```
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### 5. copyout 处理 COW
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**文件：kernel/vm.c**
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- 修改 copyout：
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```c
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if((*pte & PTE_W) == 0) {
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if((*pte & PTE_COW) != 0) {
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pa0 = PTE2PA(*pte);
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char *mem = kalloc();
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if(mem == 0)
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return -1;
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memmove(mem, (void*)pa0, PGSIZE);
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*pte = PA2PTE(mem) | PTE_FLAGS(*pte) | PTE_W;
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*pte &= ~PTE_COW;
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kfree((void*)pa0);
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} else {
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return -1;
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}
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}
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```
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### 6. 释放页时引用计数
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- uvmunmap 释放页时直接调用 kfree，kfree 内部已处理引用计数。
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### 7. walk() 边界健壮性
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**文件：kernel/vm.c**
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- 修改 walk()：
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```c
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if(va >= MAXVA)
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return 0;
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```
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## 调试与测试
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- 通过 `make qemu`，运行 `usertests` 和 `cowtest`，确保所有测试通过。
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- 重点关注 `MAXVAplus`、`forktest`、`sbrkfail` 等边界和异常测试。
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- 遇到 panic("walk") 问题，修正 walk() 返回 0。
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- 通过多次 fork/exec、写入、回收等场景，验证内存共享和释放的正确性。
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## 常见问题与修复
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- **panic("walk")**：walk() 对非法地址应返回0而不是panic。
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- **refcnt数组不能用end做基址**：应以KERNBASE为基址，保证数组大小编译期可知。
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- **重复定义PTE宏**：只保留riscv.h中的定义。
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## 总结
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- COW fork 显著提升了 fork+exec 的效率。
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- 通过引用计数和 COW 标志，保证了内存的正确共享与释放。
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- 通过边界检查和优雅失败，保证了系统健壮性。
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本实验加深了对操作系统内存管理、页表机制和异常处理的理解。 |