[Pintos-KAIST] Project 3 : Stack Growth

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과제 설명

필요할 때마다 1 페이지씩 자라나는 스택을 만들어줄 것이다. 즉,

💡 Page Fault에 의해 동적으로 자라나는 스택을 구현해야한다.

어느 타이밍에 STACK GROW 할 것인가?

페이지 폴트가 발생하였을 때, 이 페이지 폴트가 stack growth에 대한 페이지 폴트일 때 스택을 키운다.

우선 스택영역을 확장 시키기 위해서는 현재 스택 포인터 위치를 알아야 한다.
따라서 스레드 구조체 안에 스택 포인터와 스택 바텀을 저장해 둔다.
스택을 늘리는 것은 페이지 폴트가 발생했을 때 이므로 페이지 폴트 핸들러에 스택 확장을 추가해 주면 된다.

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구현

페이지 폴트가 발생하는 경우

1️⃣ 유효한 주소가 아닌 경우
2️⃣ 실제 할당하려는 페이지가 없는 경우
3️⃣ 스택 공간이 부족한 경우 → 현재 구현하려는 상황 ✅

1. vm_try_handle_fault()

1-1. define STACK_LIMIT

• include/vm/vm.h
• Pintos에서는 최대 스택 크기를 1MB(1,048,576 bytes)로 제한한다.
• USER_STACK - 1MB보다 낮은 주소를 가리키면 잘못된 접근으로 판별한다.

/** Project 3-Stack Growth*/
#define STACK_LIMIT (USER_STACK - (1 << 20))  

1-2. vm_try_handle_fault() 수정

• vm/vm.c
• page fault 예외를 처리하는 동안 userprog/exception.c에서 page_fault() 로 호출된다.
• 이 함수에서는 page fault가 스택을 증가시켜야 하는 경우에 해당하는지 여부를 확인해야 한다.
• 스택 증가로 page fault를 처리할 수 있다면, page fault가 발생한 주소로 vm_stack_growth 를 호출한다.
• !vm_claim_page(addr) → 가상 주소 addr에 대해서 페이지를 할당할 수 없는 경우

bool
vm_try_handle_fault (struct intr_frame *f UNUSED, void *addr UNUSED,
		bool user UNUSED, bool write UNUSED, bool not_present UNUSED) {
	struct supplemental_page_table *spt UNUSED = &thread_current ()->spt;

	/** Project 3-Anonymous Page */
	struct page *page = NULL;

    if (addr == NULL || is_kernel_vaddr(addr))
        return false;

    if (not_present)
    {
		/** Project 3-Stack Growth*/
		void *rsp = user ?  f->rsp : thread_current()->stack_pointer;
		if (STACK_LIMIT <= rsp - 8 && rsp - 8 == addr && addr <= USER_STACK){
			vm_stack_growth(addr);
			return true;
		}
		else if (STACK_LIMIT <= rsp && rsp <= addr && addr <= USER_STACK){
			vm_stack_growth(addr);
			return true;
		}
		page = spt_find_page(spt, addr);

		if (!page || (write && !page->writable))
			return false;
		
		return vm_do_claim_page(page);
    }
    return false;
}

• f : 페이지 폴트 발생 순간의 레지스터 값들을 담고 있는 구조체
• addr : 페이지 폴트를 일으킨 가상주소
• not_present : 페이지 존재 x (bogus fault), false인 경우 read-only페이지에 write하려는 상황
• user : 유저에 의한 접근(true), 커널에 의한 접근(false) - rsp 값이 유저 영역인지 커널영역인지
• write : 쓰기 목적 접근(true), 읽기 목적 접근(false)

2. vm_stack_growth() 구현

• vm/vm.c
• addr 이 더이상 page fault가 발생하는 주소가 되지 않도록 하나 이상의 익명 페이지를 할당하여 스택의 크기를 증가시킨다.

static void
vm_stack_growth (void *addr UNUSED) {
	/** Project 3-Stack Growth*/
    bool success = false;
	addr = pg_round_down(addr);
    if (vm_alloc_page(VM_ANON | VM_MARKER_0, addr, true)) {
        success = vm_claim_page(addr);

        if (success) {
            thread_current()->stack_bottom -= PGSIZE;
        }
    }
}

3. page_fault 수정

• userprog/exception.c

/** #project3-Stack Growth */
#ifdef VM
	if (vm_try_handle_fault(f, fault_addr, user, write, not_present))
	{
		return;
	}
	else
	{
		page_fault_cnt++;
		exit(-1);
	}
#endif

4. read() 조건 추가

• userprog/syscall.c

/** #project3-Stack Growth */
#ifdef VM
    struct page *page = spt_find_page(&thread_current()->spt, buffer);
    if (page && !page->writable)
        exit(-1);
#endif

추가해준다.

• 전체코드

/** Project 2-Extend File Descriptor */
int 
read(int fd, void *buffer, unsigned length) 
{
    struct thread *curr = thread_current();
    check_address(buffer);
/** #project3-Stack Growth */
#ifdef VM
    struct page *page = spt_find_page(&thread_current()->spt, buffer);
    if (page && !page->writable)
        exit(-1);
#endif
    struct file *file = process_get_file(fd);

    if (file == STDIN) { 
        int i = 0; 
        char c;
        unsigned char *buf = buffer;

        for (; i < length; i++) {
            c = input_getc();
            *buf++ = c;
            if (c == '\0')
                break;
        }
        return i;
    }

    if (file == NULL || file == STDOUT || file == STDERR)  // 빈 파일, stdout, stderr를 읽으려고 할 경우
        return -1;

    off_t bytes = -1;

    lock_acquire(&filesys_lock);
    bytes = file_read(file, buffer, length);
    lock_release(&filesys_lock);

    return bytes;
}

5. syscall_handler() 수정

• userprog/syscall.c
• 유저 모드에서 커널 모드로 바뀌면서 시스템 콜이 호출될 때, 미리 유저 스택 포인터를 스레드 구조체 내에 저장해 놓는다.
• 시스템 콜 핸들러가 받은 인터럽트 프레임의 RSP 값은 유저 프로세스의 유저 스택 포인터 값이다.

#ifdef VM
    thread_current()->stack_pointer = f->rsp;
#endif