xv6: 行程的記憶體管理

在 user mode，第一個被啟動的是只佔一個分頁的 init 行程，然後就會啟動 shell，接著再透過 fork()+exec() 創建並載入新的行程。

kernel/proc.c

// Create a new process, copying the parent.
// Sets up child kernel stack to return as if from fork() system call.
int
fork(void) // 行程 fork() 
{
  int i, pid;
  struct proc *np;
  struct proc *p = myproc();

  // Allocate process.
  if((np = allocproc()) == 0){ // 分配新的子行程
    return -1;
  }

  // Copy user memory from parent to child.
  if(uvmcopy(p->pagetable, np->pagetable, p->sz) < 0){ // 將分頁表複製給子行程。
    freeproc(np);
    release(&np->lock);
    return -1;
  }
  np->sz = p->sz; // 子行程大小和父行程相同

  // copy saved user registers.
  *(np->trapframe) = *(p->trapframe); // 暫存器也相同

  // Cause fork to return 0 in the child.
  np->trapframe->a0 = 0; // 子行程的 fork 傳回值應為 0 (注意，父行程傳回值沒修改)

  // increment reference counts on open file descriptors.
  for(i = 0; i < NOFILE; i++)
    if(p->ofile[i])
      np->ofile[i] = filedup(p->ofile[i]); // 複製檔案表
  np->cwd = idup(p->cwd); // 複製 cwd 目前目錄 

  safestrcpy(np->name, p->name, sizeof(p->name)); // 複製名稱

  pid = np->pid;

  release(&np->lock);

  acquire(&wait_lock);
  np->parent = p;
  release(&wait_lock);

  acquire(&np->lock);
  np->state = RUNNABLE; // 設定子行程為 RUNNABLE
  release(&np->lock);

  return pid;
}

fork() 透過呼叫 allocproc() 從 proc[NPROC] 陣列中分配一個新的行程結構，新行程一開始只有分配一頁 (彈跳床)，其他的分頁會在 MMU 的控制下，當存取失敗時引發中斷才真正去載入，這樣可以節省記憶體，不用一次載入整個程式到記憶體中。

// Look in the process table for an UNUSED proc.
// If found, initialize state required to run in the kernel,
// and return with p->lock held.
// If there are no free procs, or a memory allocation fails, return 0.
static struct proc*
allocproc(void) // 取得行程表中未使用的一格分配出去
{
  struct proc *p;
  // 尋找未使用的一格
  for(p = proc; p < &proc[NPROC]; p++) {
    acquire(&p->lock);
    if(p->state == UNUSED) {
      goto found;
    } else {
      release(&p->lock);
    }
  }
  return 0;

found:
  p->pid = allocpid(); // 分配行程代號
  p->state = USED;     // 狀態改為已使用

  // Allocate a trapframe page. // 分配彈跳床頁
  if((p->trapframe = (struct trapframe *)kalloc()) == 0){
    freeproc(p);
    release(&p->lock);
    return 0;
  }

  // An empty user page table. // 初始化分頁表
  p->pagetable = proc_pagetable(p);
  if(p->pagetable == 0){
    freeproc(p);
    release(&p->lock);
    return 0;
  }

  // 初始化內文區域，設定內文中的堆疊 sp 與 ra 
  // 返回位址 ra 設為 forkret()，這樣才會初始化檔案表等結構
  // Set up new context to start executing at forkret,
  // which returns to user space.
  memset(&p->context, 0, sizeof(p->context));
  p->context.ra = (uint64)forkret;
  p->context.sp = p->kstack + PGSIZE;

  return p;
}