[TIL/06.09]PintOS VM - Stack Growth

참고 자료

https://casys-kaist.github.io/pintos-kaist/project3/introduction.html
https://oslab.kaist.ac.kr/pintosslides/

• 🚨 두번째 링크인 Kaist OS LAB(EE) 자료는 64비트가 아닌 32비트 기준으로 서술되어 있음

요구사항

현재 PintOS는 스택의 크기가 고정되어있다.
이 스택이 overflow가 나게되면 해당 Process를 Kill 하는데,
이때 Stack Access로 보인다면 스택을 늘려주어야 한다.

Stack 영역의 기준?

위 KAIST 자료는 32비트라 esp 포인터라고 나와있으나

You will need to be able to obtain the current value of the user program's stack pointer. Within a system call or a page fault generated by a user program, you can retrieve it from the rsp member of the struct intr_frame passed to syscall_handler() or page_fault(), respectively.

GitBook에 rsp 포인터가 스택 영역에 접근 할 수 있는 포인터라고 나와있다.

rsp는 어디서 얻을까?

Page fault 핸들러 함수인 vm_try_handle_fault 에 parameter로 들어오는 인자를 보자.
intr_frame을 *f로 받는 것을 볼 수 있다.

intr_frame을 확인해보면 uintptr_t rsp 가 있는 것을 볼 수 있다.

따라서 다시 vm_try_handle_fault 에서 보면 f->rsp 로 rsp 포인터에 접근가능하다는 것을 알아낼 수 있다.

커널모드 일때 Page Fault?

위에서 본 intr_frame으로 접근하는 f-> rsp는 USER MODE에서 접근하는 것이고,
시스템 콜에서도 Page Fault가 발생할 수 있다.

• read
  buffer에 담긴 데이터를 읽어내는 Read 시스템 콜에서,
  이 buffer가 속한 페이지가 없어서 Page Fault가 발생할 수 있다.
  이때 f->rsp 로 접근시 Kernel Stack에 접근하는 것이 되어 불가능하다.
  따라서 미리 Stack Pointer를 저장해놓고 사용해야한다.

따라서 thread의 #ifdef 부분에 *rsp 포인터를 저장하기 위한 변수를 넣어주었다.

Stack Growth가 필요한 상황이 언제일까?

Most Oses impose some absolute limit on stack size. Some OSes make the limit user-adjustable, e.g. with the ulimit command on many Unix systems. On many GNU/Linux systems, the default limit is 8 MB. For this project, you should limit the stack size to be 1MB at maximum.

PintOS의 USER STACK의 크기는 1MB라고 했다.
이때 스택의 TOP을 가리키는 rsp보다 낮은 주소로 접근할 때 이 rsp를 아래로 내려서
Stack 확장을 해주어야 한다.

따라서 USER_STACK ~ USER_STACK-1MB 사이에 접근해야한다.

다만, 여기서 주의할 사항은 rsp보다 높은 주소값에 접근한 경우에만 실행해야한다.
OS가 실행되다가 프로세스를 중단시, 실행정보를 스택에 저장한다.
이때 스택 포인터 아래에 데이터를 써놓았다면 데이터가 덮어 씌워지며 변경될 수 있다.

• 예외상황
  그렇지만 rsp보다 낮은 주소인 rsp-8 에 접근했을때 스택을 늘려주는 상황이 있는데 바로
  push 명령어 실행 시이다.(함수 호출시 매개변수 stack 전달, 지역변수 stack에 할당)

However, the x86-64 PUSH instruction checks access permissions before it adjusts the stack pointer, so it may cause a page fault 8 bytes below the stack pointer.

따라서 rsp-8 주소에서도 stack growth를 적용해주어야 한다.

vm_try_handle_fault

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;
	struct page *page = NULL;
	void *MAX_STACK = (USER_STACK - (1 << 20));
	if (addr == NULL || is_kernel_vaddr(addr))
		return false;

	if (not_present)
	{
		/** Project 3-Stack Growth*/
		if (page == NULL)
		{
			// 페이지가 spt에 존재하지 않는다면, 즉 아직 해당 가상 주소에 대한 매핑이 없다면,

			void *rsp = user ? pg_round_down(f->rsp) : thread_current()->rsp;
			// 만약 유저 모드라면 유저 스택 포인터(rsp)를 현재 인터럽트 프레임에서 가져오고,
			// 그렇지 않으면 (커널 모드일 경우) 현재 스레드에 저장해둔 스택 포인터를 사용한다.
			// 단, 유저 스택은 페이지 단위로 할당되기 때문에 rsp를 페이지 하단 기준으로 정렬한다.

			if (MAX_STACK <= rsp - 8 && rsp - 8 == addr && addr <= USER_STACK)
			{
				// push 명령어 등으로 인해 rsp보다 낮은 주소에 쓰기를 시도한 경우
				// 스택 프레임 푸시 직전 주소 접근인 경우 (push 명령어 직후에 fault 나는 상황

				if (!vm_stack_growth(addr))
					return false;
			}
			else if (MAX_STACK <= rsp && rsp <= addr && addr <= USER_STACK)
			{
				//  rsp보다 높은 주소에 접근했지만 여전히 스택 영역인 경우
				// 일반적인 스택 사용 (예: 지역 변수 할당 등)으로 인한 접근의 경우

				if (!vm_stack_growth(addr))
					return false;
			}

			page = spt_find_page(spt, addr);
		}

		if (page == NULL || (write && !page->writable))
			return false;

		return vm_do_claim_page(page);
	}
	return false;
}

vm_stack_growth

/* Growing the stack. */
static bool
vm_stack_growth(void *addr UNUSED)
{
	void *va = pg_round_down(addr);
	if (vm_alloc_page_with_initializer(VM_ANON | VM_MARKER_0, va, true, NULL, NULL))
	{
		thread_current()->rsp = va;
		return vm_claim_page(va);
	}
	return false;
}

Result

pass tests/vm/pt-grow-stack
pass tests/vm/pt-grow-bad
pass tests/vm/pt-big-stk-obj
pass tests/vm/pt-bad-addr
pass tests/vm/pt-bad-read
pass tests/vm/pt-write-code
pass tests/vm/pt-write-code2
pass tests/vm/pt-grow-stk-sc

• 전체 결과

pass tests/userprog/args-none
pass tests/userprog/args-single
pass tests/userprog/args-multiple
pass tests/userprog/args-many
pass tests/userprog/args-dbl-space
pass tests/userprog/halt
pass tests/userprog/exit
pass tests/userprog/create-normal
pass tests/userprog/create-empty
pass tests/userprog/create-null
pass tests/userprog/create-bad-ptr
pass tests/userprog/create-long
pass tests/userprog/create-exists
pass tests/userprog/create-bound
pass tests/userprog/open-normal
pass tests/userprog/open-missing
pass tests/userprog/open-boundary
pass tests/userprog/open-empty
pass tests/userprog/open-null
pass tests/userprog/open-bad-ptr
pass tests/userprog/open-twice
pass tests/userprog/close-normal
pass tests/userprog/close-twice
pass tests/userprog/close-bad-fd
pass tests/userprog/read-normal
pass tests/userprog/read-bad-ptr
pass tests/userprog/read-boundary
pass tests/userprog/read-zero
pass tests/userprog/read-stdout
pass tests/userprog/read-bad-fd
pass tests/userprog/write-normal
pass tests/userprog/write-bad-ptr
pass tests/userprog/write-boundary
pass tests/userprog/write-zero
pass tests/userprog/write-stdin
pass tests/userprog/write-bad-fd
pass tests/userprog/fork-once
pass tests/userprog/fork-multiple
pass tests/userprog/fork-recursive
FAIL tests/userprog/fork-read
pass tests/userprog/fork-close
pass tests/userprog/fork-boundary
pass tests/userprog/exec-once
pass tests/userprog/exec-arg
FAIL tests/userprog/exec-boundary
pass tests/userprog/exec-missing
pass tests/userprog/exec-bad-ptr
pass tests/userprog/exec-read
pass tests/userprog/wait-simple
pass tests/userprog/wait-twice
pass tests/userprog/wait-killed
pass tests/userprog/wait-bad-pid
pass tests/userprog/multi-recurse
pass tests/userprog/multi-child-fd
pass tests/userprog/rox-simple
pass tests/userprog/rox-child
pass tests/userprog/rox-multichild
pass tests/userprog/bad-read
pass tests/userprog/bad-write
pass tests/userprog/bad-read2
pass tests/userprog/bad-write2
pass tests/userprog/bad-jump
pass tests/userprog/bad-jump2
pass tests/vm/pt-grow-stack
pass tests/vm/pt-grow-bad
pass tests/vm/pt-big-stk-obj
pass tests/vm/pt-bad-addr
pass tests/vm/pt-bad-read
pass tests/vm/pt-write-code
pass tests/vm/pt-write-code2
pass tests/vm/pt-grow-stk-sc
pass tests/vm/page-linear
FAIL tests/vm/page-parallel
pass tests/vm/page-merge-seq
FAIL tests/vm/page-merge-par
FAIL tests/vm/page-merge-stk
FAIL tests/vm/page-merge-mm
pass tests/vm/page-shuffle
FAIL tests/vm/mmap-read
FAIL tests/vm/mmap-close
FAIL tests/vm/mmap-unmap
FAIL tests/vm/mmap-overlap
FAIL tests/vm/mmap-twice
FAIL tests/vm/mmap-write
pass tests/vm/mmap-ro
FAIL tests/vm/mmap-exit
FAIL tests/vm/mmap-shuffle
FAIL tests/vm/mmap-bad-fd
FAIL tests/vm/mmap-clean
FAIL tests/vm/mmap-inherit
FAIL tests/vm/mmap-misalign
FAIL tests/vm/mmap-null
FAIL tests/vm/mmap-over-code
FAIL tests/vm/mmap-over-data
FAIL tests/vm/mmap-over-stk
FAIL tests/vm/mmap-remove
pass tests/vm/mmap-zero
FAIL tests/vm/mmap-bad-fd2
FAIL tests/vm/mmap-bad-fd3
FAIL tests/vm/mmap-zero-len
FAIL tests/vm/mmap-off
FAIL tests/vm/mmap-bad-off
FAIL tests/vm/mmap-kernel
FAIL tests/vm/lazy-file
pass tests/vm/lazy-anon
FAIL tests/vm/swap-file
FAIL tests/vm/swap-anon
FAIL tests/vm/swap-iter
FAIL tests/vm/swap-fork
pass tests/filesys/base/lg-create
pass tests/filesys/base/lg-full
pass tests/filesys/base/lg-random
pass tests/filesys/base/lg-seq-block
pass tests/filesys/base/lg-seq-random
pass tests/filesys/base/sm-create
pass tests/filesys/base/sm-full
pass tests/filesys/base/sm-random
pass tests/filesys/base/sm-seq-block
pass tests/filesys/base/sm-seq-random
FAIL tests/filesys/base/syn-read
pass tests/filesys/base/syn-remove
FAIL tests/filesys/base/syn-write
pass tests/threads/alarm-single
pass tests/threads/alarm-multiple
pass tests/threads/alarm-simultaneous
pass tests/threads/alarm-priority
pass tests/threads/alarm-zero
pass tests/threads/alarm-negative
pass tests/threads/priority-change
FAIL tests/threads/priority-donate-one
pass tests/threads/priority-donate-multiple
pass tests/threads/priority-donate-multiple2
pass tests/threads/priority-donate-nest
pass tests/threads/priority-donate-sema
pass tests/threads/priority-donate-lower
pass tests/threads/priority-fifo
pass tests/threads/priority-preempt
pass tests/threads/priority-sema
pass tests/threads/priority-condvar
pass tests/threads/priority-donate-chain
FAIL tests/vm/cow/cow-simple
38 of 141 tests failed.