XV6

系统调用是供应用程序调用内核资源的接口。

如果我们修改了 XV6 内核的代码，例如增加了优先级调度，那么就需要有设置优先级的系统调用，并且通过应用程序调用该系统调用进行优先级设置。因此我们需要学习如何增加新的系统调用，以及如何在应用程序中进行系统调用，这样才能验证 XV6 修改后的功能。

1. 系统调用示例

XV6 中普通用户可以用的系统调用都在 user.h 中有声明。我们以获取进程号的 getpid() 系统调用为例，新建 printpid.c，内容如下：

#include "types.h"
#include "stat.h"
#include "user.h"

int 
main(){
	printf(1, "my pid is %d\n", getpid());
	exit();
}

添加 _printpid 应用程序到 Makefile 中，执行 make qemu-nox 进入 XV6。然后直接输入 printpid 执行程序，就可以看到进程 printpid 的进程号。

2. 添加系统调用

系统调用涉及较多内容，分散在多个文件中，包括系统调用号的分配、系统调用的分发代码（依据系统调用号）的修改、系统调用功能的编码实现、用户库头文件的修改等。另外还涉及验证用的样例程序，用于校验该系统调用的功能。下面我们一步一步实现

我们希望进程能知道自己所在的处理器编号，这可以通过一个新的系统调用 getcpuid()来实现。步骤如下：

2.1 增加系统调用号

XV6 的系统调用都有一个唯一编号，定义在 syscall.h。我们可以在 SYS_close 的后面新增一行内容：

#define SYS_getcpuid 22

这里的编号 22 可以是其他值，只要不和前面的编号重复就行。

2.2 增加用户态入口

为了让用户态代码能进行系统调用，需要提供用户态入口函数 getcpuid() ，并在相关的头文件添加函数原型声明。

1. 修改 user.h

   为了让应用程序能调用用户态入口函数 getcpuid()，需要在代码 user.h 中加入一行函数原型声明。

   int getcpuid(void);
   

   该头文件应该被应用程序的源代码所使用，因为它声明了所有用户态函数的原型。除此之外所有标准 C 语言库的函数都不能使用，因为 Makefile 用参数 -nostdinc 禁止使用 Linux 系统的头文件，而且用 -I. 指出在当前目录中搜索头文件。也就是说 XV6 系统中，并没有实现标准的 C 语言库。

2. usys.S 中定义用户态入口

   定义了 getcpuid() 原型之后，还需要实现 getcpuid() 函数。我们在 usys.S 中加入一行：

   SYSCALL(getcpuid)
   

   SYSCALL 是一个宏，定义于 usys.S 的第一行。SYSCALL(getcpuid) 将把 getcpuid 定义为函数入口，然后把 SYS_getcpuid=22 作为系统调用号保存到 eax 寄存器中，然后发出 INT 指令（INT 是一条汇编指令）进行系统调用 INT $SYS_SYSCALL。这样进入到系统调用公共入口后，以 eax 作为下标在系统调用表 syscalls[] 中找到需要执行的具体代码。

   这里定义的 getcpuid() 函数，就是用户态在希望执行系统调用时所调用的函数，使得用户代码无需编写汇编指令来执行 INT 指令。

2.3 修改跳转表

在系统调用公共入口 syscall() 中，XV6 将根据系统调用号进行分发处理。负责分发处理的函数是 syscall()，分发依据是一个跳转表。我们需要修改这个跳转表，首先要在分发函数表 syscalls[] （相当于函数指针数组）中加入：

[SYS_getcpuid]   sys_getcpuid,

也就是下标 22 对应的是 sys_getcpuid() 函数地址（后面我们会实现该函数）。其次，由于 sys_getcpuid 未声明，因此要在分发函数表前面加入外部声明用于指出该函数是外部符号。

extern int sys_getcpuid(void);

前面提到：当用户发出 22 号系统调用是通过 getcpuid() 完成的，其中系统调用号 22 是保存在寄存器 eax 的。因此 syscall() 系统调用入口代码可以通过 proc->tf->eax 获得该系统调用号，并保存在 num 变量中，于是 syscalls[num] 就是 syscalls[22] 也就是 sys_getcpuid()。

2.4 实现系统调用功能

前面的工作使得用户可以用 getcpuid() 作为系统调用的用户态入口，而且进入系统调用的分发函数 syscall() 中也能正确地转入到 sys_getcpuid() 函数里，但是我们还未实现 sys_getcpuid() 函数。步骤如下

1. 在 sysproc.c 中加入系统调用处理函数 sys_getcpuid()

   int
   sys_getcpuid()
   {
     return getcpuid();
   }
   

2. 在 proc.c 中实现 getcpuid() 函数

   int
   getcpuid()
   {
     cli();              // 关中断
     uint id = cpuid();  // cpuid() 必须在关中断环境下执行
     sti();              // 重新打开中断
     return id;
   }
   

3. 为了让 sysproc.c 中的 sys_getcpuid() 能调用 proc.c 中的 getcpuid()，还需要在 defs.h 加入一行函数原型声明：

   int  getcpuid(void);
   

   这是用作内核态代码调用 getcpuid() 时的函数原型声明。defs.h 声明了几乎所有的内核数据结构和函数，因此被几乎所有内核代码的源文件所包含。

3. 验证新系统调用

最后，我们需要验证新增系统调用是否能被应用程序所正常使用。由于前面已经在 user.h 中声明了 getcpuid() 用户态函数原型，因此可以在应用程序中进行调用。新建 pcpuid.c，内容如下：

#include "types.h"
#include "stat.h"
#include "user.h"

int
main(int argc, char *argv[])
{
    printf(1, "My CPU id is: %d\n", getcpuid());
    exit();
}

参照 第 2 节实验，完成其编译过程、加入到磁盘文件系统（记得在 Makefile 的 UPROGS 目标加上_pcpuid）。

进入 XV6，运行 pcpuid 得到应用程序使用的处理器编号。

4. 观察调度过程

在本章结束之前，我们再编写一个程序，使得它可以创建多个进程并发运行，用于观察多进程分时运行的现象。创建 fork.c 文件，内容如下：

#include "types.h"
#include "stat.h"
#include "user.h"

int 
main(){
	int i;
    printf(1, "My pid = %d\n", getpid()); // 1 是文件描述符，后面会提到
	i = fork();
    i = fork();
    while(1)  i++;
    exit();
}

修改 Makefile ，在磁盘文件系统中增加 fork 程序，运行后间断性地键入 Ctrl+p 用于显示当时的进程状态。可以观察到进程的状态在 run 和 runable 之间切换，而且同时 run 的进程个数有时候不一致。当只有一个进程的状态为 run 时，说明另一个 CPU 正在运行 scheduler 执行流。

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