Wordsmithing.
[pintos-anon] / doc / reference.texi
1 @node Reference Guide
2 @appendix Reference Guide
3
4 This chapter is a reference for the Pintos code.  It covers the
5 entire code base, but you'll only be using Pintos one part at a time,
6 so you may find that you want to read each part as you work on the
7 project where it becomes important.
8
9 (Actually, the reference guide is currently incomplete.)
10
11 We recommend using ``tags'' to follow along with references to function
12 and variable names (@pxref{Tags}).
13
14 @menu
15 * Pintos Loading::              
16 * Threads::                     
17 * Synchronization::             
18 * Interrupt Handling::          
19 * Memory Allocation::           
20 * Virtual Addresses::           
21 * Page Table::                  
22 * Hash Table::                  
23 @end menu
24
25 @node Pintos Loading
26 @section Loading
27
28 This section covers the Pintos loader and basic kernel
29 initialization.
30
31 @menu
32 * Pintos Loader::               
33 * Kernel Initialization::       
34 @end menu
35
36 @node Pintos Loader
37 @subsection The Loader
38
39 The first part of Pintos that runs is the loader, in
40 @file{threads/loader.S}.  The PC BIOS loads the loader into memory.
41 The loader, in turn, is responsible for initializing the CPU, loading
42 the rest of Pintos into memory, and then jumping to its start.  It's
43 not important to understand exactly what the loader does, but if
44 you're interested, read on.  You should probably read along with the
45 loader's source.  You should also understand the basics of the
46 80@var{x}86 architecture as described by chapter 3, ``Basic Execution
47 Environment,'' of @bibref{IA32-v1}.
48
49 Because the PC BIOS loads the loader, the loader has to play by the
50 BIOS's rules.  In particular, the BIOS only loads 512 bytes (one disk
51 sector) into memory.  This is a severe restriction and it means that,
52 practically speaking, the loader has to be written in assembly
53 language.
54
55 The Pintos loader first initializes the CPU.  The first important part of
56 this is to enable the A20 line, that is, the CPU's address line
57 numbered 20.  For historical reasons, PCs boot with this address
58 line fixed at 0, which means that attempts to access memory beyond the
59 first 1 MB (2 raised to the 20th power) will fail.  Pintos wants to
60 access more memory than this, so we have to enable it.
61
62 Next, the loader asks the BIOS for the PC's memory size.  Again for
63 historical reasons, the function that we call in the BIOS to do this
64 can only detect up to 64 MB of RAM, so that's the practical limit that
65 Pintos can support.  The memory size is stashed away in a location in
66 the loader that the kernel can read after it boots.
67
68 Third, the loader creates a basic page table.  This page table maps
69 the 64 MB at the base of virtual memory (starting at virtual address
70 0) directly to the identical physical addresses.  It also maps the
71 same physical memory starting at virtual address
72 @code{LOADER_PHYS_BASE}, which defaults to @t{0xc0000000} (3 GB).  The
73 Pintos kernel only wants the latter mapping, but there's a
74 chicken-and-egg problem if we don't include the former: our current
75 virtual address is roughly @t{0x7c00}, the location where the BIOS
76 loaded us, and we can't jump to @t{0xc0007c00} until we turn on the
77 page table, but if we turn on the page table without jumping there,
78 then we've just pulled the rug out from under ourselves.
79
80 After the page table is initialized, we load the CPU's control
81 registers to turn on protected mode and paging, and then we set up the
82 segment registers.  We aren't yet equipped to handle interrupts in
83 protected mode, so we disable interrupts.
84
85 Finally it's time to load the kernel from disk.  We use a simple but
86 inflexible method to do this: we program the IDE disk
87 controller directly.  We assume that the kernel is stored starting
88 from the second sector of the first IDE disk (the first sector normally
89 contains the boot loader).  We also assume that the BIOS has
90 already set up the IDE controller for us.  We read
91 @code{KERNEL_LOAD_PAGES} pages of data (4 kB per page) from the disk directly
92 into virtual memory, starting @code{LOADER_KERN_BASE} bytes past
93 @code{LOADER_PHYS_BASE}, which by default means that we load the
94 kernel starting 1 MB into physical memory.
95
96 Then we jump to the start of the compiled kernel image.  Using the
97 ``linker script'' in @file{threads/kernel.lds.S}, the kernel has
98 arranged to begin with the assembly module
99 @file{threads/start.S}.  This assembly module just calls
100 @func{main}, which never returns.
101
102 There's one more trick: the Pintos kernel command line
103 is in stored the boot loader.  The @command{pintos} program actually
104 modifies a copy of the boot loader on disk each time it runs the kernel,
105 putting
106 in whatever command line arguments the user supplies to the kernel,
107 and then the kernel at boot time reads those arguments out of the boot
108 loader in memory.  This is not an elegant solution, but it is simple
109 and effective.
110
111 @node Kernel Initialization
112 @subsection Kernel Initialization
113
114 The kernel proper starts with the @func{main} function.  The
115 @func{main} function is written in C, as will be most of the code we
116 encounter in Pintos from here on out.
117
118 When @func{main} starts, the system is in a pretty raw state.  We're
119 in 32-bit protected mode with paging enabled, but hardly anything else is
120 ready.  Thus, the @func{main} function consists primarily of calls
121 into other Pintos modules' initialization functions.
122 These are usually named @func{@var{module}_init}, where
123 @var{module} is the module's name, @file{@var{module}.c} is the
124 module's source code, and @file{@var{module}.h} is the module's
125 header.
126
127 First we initialize kernel RAM in @func{ram_init}.  The first step
128 is to clear out the kernel's so-called ``BSS'' segment.  The BSS is a
129 segment that should be initialized to all zeros.  In most C
130 implementations, whenever you
131 declare a variable outside a function without providing an
132 initializer, that variable goes into the BSS.  Because it's all zeros, the
133 BSS isn't stored in the image that the loader brought into memory.  We
134 just use @func{memset} to zero it out.  The other task of
135 @func{ram_init} is to read out the machine's memory size from where
136 the loader stored it and put it into the @code{ram_pages} variable for
137 later use.
138
139 Next, @func{thread_init} initializes the thread system.  We will defer
140 full discussion to our discussion of Pintos threads below.  It is
141 called so early in initialization because the console, initialized
142 just afterward, tries to use locks, and locks in turn require there to be a
143 running thread.
144
145 Then we initialize the console so that @func{printf} will work.
146 @func{main} calls @func{vga_init}, which initializes the VGA text
147 display and clears the screen.  It also calls @func{serial_init_poll}
148 to initialize the first serial port in ``polling mode,'' that is,
149 where the kernel busy-waits for the port to be ready for each
150 character to be output.  (We use polling mode until we're ready to enable
151 interrupts, later.)  Finally we initialize the console device and
152 print a startup message to the console.
153
154 @func{main} calls @func{read_command_line} to break the kernel command
155 line into arguments, then @func{parse_options} to read any options at
156 the beginning of the command line.  (Actions specified on the
157 command line execute later.)
158
159 @func{main} calls @func{random_init} to initialize the kernel random
160 number generator.  If the user specified @option{-rs} on the
161 @command{pintos} command line, @func{parse_options} already did
162 this, but calling it a second time is harmless.
163
164 The next block of functions we call initialize the kernel's memory
165 system.  @func{palloc_init} sets up the kernel page allocator, which
166 doles out memory one or more pages at a time (@pxref{Page Allocator}).
167 @func{malloc_init} sets
168 up the allocator that handles allocations of arbitrary-size blocks of
169 memory (@pxref{Block Allocator}).
170 @func{paging_init} sets up a page table for the kernel (@pxref{Page
171 Table}).
172
173 In projects 2 and later, @func{main} also calls @func{tss_init} and
174 @func{gdt_init}.
175
176 The next set of calls initializes the interrupt system.
177 @func{intr_init} sets up the CPU's @dfn{interrupt descriptor table}
178 (IDT) to ready it for interrupt handling (@pxref{Interrupt
179 Infrastructure}), then @func{timer_init} and @func{kbd_init} prepare for
180 handling timer interrupts and keyboard interrupts, respectively.  In
181 projects 2 and later, we also prepare to handle interrupts caused by
182 user programs using @func{exception_init} and @func{syscall_init}.
183
184 Now that interrupts are set up, we can start the scheduler
185 with @func{thread_start}, which creates the idle thread and enables
186 interrupts.
187 With interrupts enabled, interrupt-driven serial port I/O becomes
188 possible, so we use
189 @func{serial_init_queue} to switch to that mode.  Finally,
190 @func{timer_calibrate} calibrates the timer for accurate short delays.
191
192 If the file system is compiled in, as it will starting in project 2, we
193 initialize the disks with @func{disk_init}, then the
194 file system with @func{filesys_init}.
195
196 Boot is complete, so we print a message.
197
198 Function @func{run_actions} now parses and executes actions specified on
199 the kernel command line, such as @command{run} to run a test (in project
200 1) or a user program (in later projects).
201
202 Finally, if @option{-q} was specified on the kernel command line, we
203 call @func{power_off} to terminate the machine simulator.  Otherwise,
204 @func{main} calls @func{thread_exit}, which allows any other running
205 threads to continue running.
206
207 @node Threads
208 @section Threads
209
210 @menu
211 * struct thread::               
212 * Thread Functions::            
213 * Thread Switching::            
214 @end menu
215
216 @node struct thread
217 @subsection @code{struct thread}
218
219 The main Pintos data structure for threads is @struct{thread},
220 declared in @file{threads/thread.h}.
221
222 @deftp {Structure} {struct thread}
223 Represents a thread or a user process.  In the projects, you will have
224 to add your own members to @struct{thread}.  You may also change or
225 delete the definitions of existing members.
226
227 Every @struct{thread} occupies the beginning of its own page of
228 memory.  The rest of the page is used for the thread's stack, which
229 grows downward from the end of the page.  It looks like this:
230
231 @example
232 @group
233                   4 kB +---------------------------------+
234                        |          kernel stack           |
235                        |                |                |
236                        |                |                |
237                        |                V                |
238                        |         grows downward          |
239                        |                                 |
240                        |                                 |
241                        |                                 |
242                        |                                 |
243                        |                                 |
244                        |                                 |
245                        |                                 |
246                        |                                 |
247 sizeof (struct thread) +---------------------------------+
248                        |              magic              |
249                        |                :                |
250                        |                :                |
251                        |              status             |
252                        |               tid               |
253                   0 kB +---------------------------------+
254 @end group
255 @end example
256
257 This has two consequences.  First, @struct{thread} must not be allowed
258 to grow too big.  If it does, then there will not be enough room for the
259 kernel stack.  The base @struct{thread} is only a few bytes in size.  It
260 probably should stay well under 1 kB.
261
262 Second, kernel stacks must not be allowed to grow too large.  If a stack
263 overflows, it will corrupt the thread state.  Thus, kernel functions
264 should not allocate large structures or arrays as non-static local
265 variables.  Use dynamic allocation with @func{malloc} or
266 @func{palloc_get_page} instead (@pxref{Memory Allocation}).
267 @end deftp
268
269 @deftypecv {Member} {@struct{thread}} {tid_t} tid
270 The thread's thread identifier or @dfn{tid}.  Every thread must have a
271 tid that is unique over the entire lifetime of the kernel.  By
272 default, @code{tid_t} is a @code{typedef} for @code{int} and each new
273 thread receives the numerically next higher tid, starting from 1 for
274 the initial process.  You can change the type and the numbering scheme
275 if you like.
276 @end deftypecv
277
278 @deftypecv {Member} {@struct{thread}} {enum thread_status} status
279 @anchor{Thread States}
280 The thread's state, one of the following:
281
282 @defvr {Thread State} @code{THREAD_RUNNING}
283 The thread is running.  Exactly one thread is running at a given time.
284 @func{thread_current} returns the running thread.
285 @end defvr
286
287 @defvr {Thread State} @code{THREAD_READY}
288 The thread is ready to run, but it's not running right now.  The
289 thread could be selected to run the next time the scheduler is
290 invoked.  Ready threads are kept in a doubly linked list called
291 @code{ready_list}.
292 @end defvr
293
294 @defvr {Thread State} @code{THREAD_BLOCKED}
295 The thread is waiting for something, e.g.@: a lock to become
296 available, an interrupt to be invoked.  The thread won't be scheduled
297 again until it transitions to the @code{THREAD_READY} state with a
298 call to @func{thread_unblock}.  This is most conveniently done
299 indirectly, using one of the Pintos synchronization primitives that
300 block and unblock threads automatically (@pxref{Synchronization}).
301
302 There is no @i{a priori} way to tell what a blocked thread is waiting
303 for, but a backtrace can help (@pxref{Backtraces}).
304 @end defvr
305
306 @defvr {Thread State} @code{THREAD_DYING}
307 The thread will be destroyed by the scheduler after switching to the
308 next thread.
309 @end defvr
310 @end deftypecv
311
312 @deftypecv {Member} {@struct{thread}} {char} name[16]
313 The thread's name as a string, or at least the first few characters of
314 it.
315 @end deftypecv
316
317 @deftypecv {Member} {@struct{thread}} {uint8_t *} stack
318 Every thread has its own stack to keep track of its state.  When the
319 thread is running, the CPU's stack pointer register tracks the top of
320 the stack and this member is unused.  But when the CPU switches to
321 another thread, this member saves the thread's stack pointer.  No
322 other members are needed to save the thread's registers, because the
323 other registers that must be saved are saved on the stack.
324
325 When an interrupt occurs, whether in the kernel or a user program, an
326 @struct{intr_frame} is pushed onto the stack.  When the interrupt occurs
327 in a user program, the @struct{intr_frame} is always at the very top of
328 the page.  @xref{Interrupt Handling}, for more information.
329 @end deftypecv
330
331 @deftypecv {Member} {@struct{thread}} {int} priority
332 A thread priority, ranging from @code{PRI_MIN} (0) to @code{PRI_MAX}
333 (63).  Lower numbers correspond to lower priorities, so that
334 priority 0 is the lowest priority and priority 63 is the highest.
335 Pintos as provided ignores thread priorities, but you will implement
336 priority scheduling in project 1 (@pxref{Priority Scheduling}).
337 @end deftypecv
338
339 @deftypecv {Member} {@struct{thread}} {@struct{list_elem}} elem
340 A ``list element'' used to put the thread into doubly linked lists,
341 either @code{ready_list} (the list of threads ready to run) or a list of
342 threads waiting on a semaphore in @func{sema_down}.  It can do double
343 duty because a thread waiting on a semaphore is not ready, and vice
344 versa.
345 @end deftypecv
346
347 @deftypecv {Member} {@struct{thread}} {uint32_t *} pagedir
348 Only present in project 2 and later.  @xref{Page Tables}.
349 @end deftypecv
350
351 @deftypecv {Member} {@struct{thread}} {unsigned} magic
352 Always set to @code{THREAD_MAGIC}, which is just an arbitrary number defined
353 in @file{threads/thread.c}, and used to detect stack overflow.
354 @func{thread_current} checks that the @code{magic} member of the running
355 thread's @struct{thread} is set to @code{THREAD_MAGIC}.  Stack overflow
356 tends to change this value, triggering the assertion.  For greatest
357 benefit, as you add members to @struct{thread}, leave @code{magic} at
358 the end.
359 @end deftypecv
360
361 @node Thread Functions
362 @subsection Thread Functions
363
364 @file{threads/thread.c} implements several public functions for thread
365 support.  Let's take a look at the most useful:
366
367 @deftypefun void thread_init (void)
368 Called by @func{main} to initialize the thread system.  Its main
369 purpose is to create a @struct{thread} for Pintos's initial thread.
370 This is possible because the Pintos loader puts the initial
371 thread's stack at the top of a page, in the same position as any other
372 Pintos thread.
373
374 Before @func{thread_init} runs,
375 @func{thread_current} will fail because the running thread's
376 @code{magic} value is incorrect.  Lots of functions call
377 @func{thread_current} directly or indirectly, including
378 @func{lock_acquire} for locking a lock, so @func{thread_init} is
379 called early in Pintos initialization.
380 @end deftypefun
381
382 @deftypefun void thread_start (void)
383 Called by @func{main} to start the scheduler.  Creates the idle
384 thread, that is, the thread that is scheduled when no other thread is
385 ready.  Then enables interrupts, which as a side effect enables the
386 scheduler because the scheduler runs on return from the timer interrupt, using
387 @func{intr_yield_on_return} (@pxref{External Interrupt Handling}).
388 @end deftypefun
389
390 @deftypefun void thread_tick (void)
391 Called by the timer interrupt at each timer tick.  It keeps track of
392 thread statistics and triggers the scheduler when a time slice expires.
393 @end deftypefun
394
395 @deftypefun void thread_print_stats (void)
396 Called during Pintos shutdown to print thread statistics.
397 @end deftypefun
398
399 @deftypefun tid_t thread_create (const char *@var{name}, int @var{priority}, thread_func *@var{func}, void *@var{aux})
400 Creates and starts a new thread named @var{name} with the given
401 @var{priority}, returning the new thread's tid.  The thread executes
402 @var{func}, passing @var{aux} as the function's single argument.
403
404 @func{thread_create} allocates a page for the thread's
405 @struct{thread} and stack and initializes its members, then it sets
406 up a set of fake stack frames for it (@pxref{Thread Switching}).  The
407 thread is initialized in the blocked state, then unblocked just before
408 returning, which allows the new thread to
409 be scheduled (@pxref{Thread States}).
410
411 @deftp {Type} {void thread_func (void *@var{aux})}
412 This is the type of the function passed to @func{thread_create}, whose
413 @var{aux} argument is passed along as the function's argument.
414 @end deftp
415 @end deftypefun
416
417 @deftypefun void thread_block (void)
418 Transitions the running thread from the running state to the blocked
419 state (@pxref{Thread States}).  The thread will not run again until
420 @func{thread_unblock} is
421 called on it, so you'd better have some way arranged for that to happen.
422 Because @func{thread_block} is so low-level, you should prefer to use
423 one of the synchronization primitives instead (@pxref{Synchronization}).
424 @end deftypefun
425
426 @deftypefun void thread_unblock (struct thread *@var{thread})
427 Transitions @var{thread}, which must be in the blocked state, to the
428 ready state, allowing it to resume running (@pxref{Thread States}).
429 This is called when the event that the thread is waiting for occurs,
430 e.g.@: when the lock that 
431 the thread is waiting on becomes available.
432 @end deftypefun
433
434 @deftypefun {struct thread *} thread_current (void)
435 Returns the running thread.
436 @end deftypefun
437
438 @deftypefun {tid_t} thread_tid (void)
439 Returns the running thread's thread id.  Equivalent to
440 @code{thread_current ()->tid}.
441 @end deftypefun
442
443 @deftypefun {const char *} thread_name (void)
444 Returns the running thread's name.  Equivalent to @code{thread_current
445 ()->name}.
446 @end deftypefun
447
448 @deftypefun void thread_exit (void) @code{NO_RETURN}
449 Causes the current thread to exit.  Never returns, hence
450 @code{NO_RETURN} (@pxref{Function and Parameter Attributes}).
451 @end deftypefun
452
453 @deftypefun void thread_yield (void)
454 Yields the CPU to the scheduler, which picks a new thread to run.  The
455 new thread might be the current thread, so you can't depend on this
456 function to keep this thread from running for any particular length of
457 time.
458 @end deftypefun
459
460 @deftypefun int thread_get_priority (void)
461 @deftypefunx void thread_set_priority (int @var{new_priority})
462 Stub to set and get thread priority.  @xref{Priority Scheduling}.
463 @end deftypefun
464
465 @deftypefun int thread_get_nice (void)
466 @deftypefunx void thread_set_nice (int @var{new_nice})
467 @deftypefunx int thread_get_recent_cpu (void)
468 @deftypefunx int thread_get_load_avg (void)
469 Stubs for the advanced scheduler.  @xref{4.4BSD Scheduler}.
470 @end deftypefun
471
472 @node Thread Switching
473 @subsection Thread Switching
474
475 @func{schedule} is responsible for switching threads.  It
476 is internal to @file{threads/thread.c} and called only by the three
477 public thread functions that need to switch threads:
478 @func{thread_block}, @func{thread_exit}, and @func{thread_yield}.
479 Before any of these functions call @func{schedule}, they disable
480 interrupts (or ensure that they are already disabled) and then change
481 the running thread's state to something other than running.
482
483 @func{schedule} is short but tricky.  It records the
484 current thread in local variable @var{cur}, determines the next thread
485 to run as local variable @var{next} (by calling
486 @func{next_thread_to_run}), and then calls @func{switch_threads} to do
487 the actual thread switch.  The thread we switched to was also running
488 inside @func{switch_threads}, as are all the threads not currently
489 running, so the new thread now returns out of
490 @func{switch_threads}, returning the previously running thread.
491
492 @func{switch_threads} is an assembly language routine in
493 @file{threads/switch.S}.  It saves registers on the stack, saves the
494 CPU's current stack pointer in the current @struct{thread}'s @code{stack}
495 member, restores the new thread's @code{stack} into the CPU's stack
496 pointer, restores registers from the stack, and returns.
497
498 The rest of the scheduler is implemented in @func{schedule_tail}.  It
499 marks the new thread as running.  If the thread we just switched from
500 is in the dying state, then it also frees the page that contained the
501 dying thread's @struct{thread} and stack.  These couldn't be freed
502 prior to the thread switch because the switch needed to use it.
503
504 Running a thread for the first time is a special case.  When
505 @func{thread_create} creates a new thread, it goes through a fair
506 amount of trouble to get it started properly.  In particular, the new
507 thread hasn't started running yet, so there's no way for it to be
508 running inside @func{switch_threads} as the scheduler expects.  To
509 solve the problem, @func{thread_create} creates some fake stack frames
510 in the new thread's stack:
511
512 @itemize @bullet
513 @item
514 The topmost fake stack frame is for @func{switch_threads}, represented
515 by @struct{switch_threads_frame}.  The important part of this frame is
516 its @code{eip} member, the return address.  We point @code{eip} to
517 @func{switch_entry}, indicating it to be the function that called
518 @func{switch_entry}.
519
520 @item
521 The next fake stack frame is for @func{switch_entry}, an assembly
522 language routine in @file{threads/switch.S} that adjusts the stack
523 pointer,@footnote{This is because @func{switch_threads} takes
524 arguments on the stack and the 80@var{x}86 SVR4 calling convention
525 requires the caller, not the called function, to remove them when the
526 call is complete.  See @bibref{SysV-i386} chapter 3 for details.}
527 calls @func{schedule_tail} (this special case is why
528 @func{schedule_tail} is separate from @func{schedule}), and returns.
529 We fill in its stack frame so that it returns into
530 @func{kernel_thread}, a function in @file{threads/thread.c}.
531
532 @item
533 The final stack frame is for @func{kernel_thread}, which enables
534 interrupts and calls the thread's function (the function passed to
535 @func{thread_create}).  If the thread's function returns, it calls
536 @func{thread_exit} to terminate the thread.
537 @end itemize
538
539 @node Synchronization
540 @section Synchronization
541
542 If sharing of resources between threads is not handled in a careful,
543 controlled fashion, the result is usually a big mess.
544 This is especially the case in operating system kernels, where
545 faulty sharing can crash the entire machine.  Pintos provides several
546 synchronization primitives to help out.
547
548 @menu
549 * Disabling Interrupts::        
550 * Semaphores::                  
551 * Locks::                       
552 * Monitors::                    
553 * Memory Barriers::             
554 @end menu
555
556 @node Disabling Interrupts
557 @subsection Disabling Interrupts
558
559 The crudest way to do synchronization is to disable interrupts, that
560 is, to temporarily prevent the CPU from responding to interrupts.  If
561 interrupts are off, no other thread will preempt the running thread,
562 because thread preemption is driven by the timer interrupt.  If
563 interrupts are on, as they normally are, then the running thread may
564 be preempted by another at any time, whether between two C statements
565 or even within the execution of one.
566
567 Incidentally, this means that Pintos is a ``preemptible kernel,'' that
568 is, kernel threads can be preempted at any time.  Traditional Unix
569 systems are ``nonpreemptible,'' that is, kernel threads can only be
570 preempted at points where they explicitly call into the scheduler.
571 (User programs can be preempted at any time in both models.)  As you
572 might imagine, preemptible kernels require more explicit
573 synchronization.
574
575 You should have little need to set the interrupt state directly.  Most
576 of the time you should use the other synchronization primitives
577 described in the following sections.  The main reason to disable
578 interrupts is to synchronize kernel threads with external interrupt
579 handlers, which cannot sleep and thus cannot use most other forms of
580 synchronization (@pxref{External Interrupt Handling}).
581
582 Some external interrupts cannot be postponed, even by disabling
583 interrupts.  These interrupts, called @dfn{non-maskable interrupts}
584 (NMIs), are supposed to be used only in emergencies, e.g.@: when the
585 computer is on fire.  Pintos does not handle non-maskable interrupts.
586
587 Types and functions for disabling and enabling interrupts are in
588 @file{threads/interrupt.h}.
589
590 @deftp Type {enum intr_level}
591 One of @code{INTR_OFF} or @code{INTR_ON}, denoting that interrupts are
592 disabled or enabled, respectively.
593 @end deftp
594
595 @deftypefun {enum intr_level} intr_get_level (void)
596 Returns the current interrupt state.
597 @end deftypefun
598
599 @deftypefun {enum intr_level} intr_set_level (enum intr_level @var{level})
600 Turns interrupts on or off according to @var{level}.  Returns the
601 previous interrupt state.
602 @end deftypefun
603
604 @deftypefun {enum intr_level} intr_enable (void)
605 Turns interrupts on.  Returns the previous interrupt state.
606 @end deftypefun
607
608 @deftypefun {enum intr_level} intr_disable (void)
609 Turns interrupts off.  Returns the previous interrupt state.
610 @end deftypefun
611
612 @node Semaphores
613 @subsection Semaphores
614
615 A @dfn{semaphore} is a nonnegative integer together with two operators
616 that manipulate it atomically, which are:
617
618 @itemize @bullet
619 @item
620 ``Down'' or ``P'': wait for the value to become positive, then
621 decrement it.
622
623 @item
624 ``Up'' or ``V'': increment the value (and wake up one waiting thread,
625 if any).
626 @end itemize
627
628 A semaphore initialized to 0 may be used to wait for an event
629 that will happen exactly once.  For example, suppose thread @var{A}
630 starts another thread @var{B} and wants to wait for @var{B} to signal
631 that some activity is complete.  @var{A} can create a semaphore
632 initialized to 0, pass it to @var{B} as it starts it, and then
633 ``down'' the semaphore.  When @var{B} finishes its activity, it
634 ``ups'' the semaphore.  This works regardless of whether @var{A}
635 ``downs'' the semaphore or @var{B} ``ups'' it first.
636
637 A semaphore initialized to 1 is typically used for controlling access
638 to a resource.  Before a block of code starts using the resource, it
639 ``downs'' the semaphore, then after it is done with the resource it
640 ``ups'' the resource.  In such a case a lock, described below, may be
641 more appropriate.
642
643 Semaphores can also be initialized to values larger than 1.  These are
644 rarely used.
645
646 Semaphores were invented by Edsger Dijkstra and first used in the THE
647 operating system (@bibref{Dijkstra}).
648
649 Pintos' semaphore type and operations are declared in
650 @file{threads/synch.h}.  
651
652 @deftp {Type} {struct semaphore}
653 Represents a semaphore.
654 @end deftp
655
656 @deftypefun void sema_init (struct semaphore *@var{sema}, unsigned @var{value})
657 Initializes @var{sema} as a new semaphore with the given initial
658 @var{value}.
659 @end deftypefun
660
661 @deftypefun void sema_down (struct semaphore *@var{sema})
662 Executes the ``down'' or ``P'' operation on @var{sema}, waiting for
663 its value to become positive and then decrementing it by one.
664 @end deftypefun
665
666 @deftypefun bool sema_try_down (struct semaphore *@var{sema})
667 Tries to execute the ``down'' or ``P'' operation on @var{sema},
668 without waiting.  Returns true if @var{sema}
669 was successfully decremented, or false if it was already
670 zero and thus could not be decremented without waiting.  Calling this
671 function in a
672 tight loop wastes CPU time, so use @func{sema_down} or find a
673 different approach instead.
674 @end deftypefun
675
676 @deftypefun void sema_up (struct semaphore *@var{sema})
677 Executes the ``up'' or ``V'' operation on @var{sema},
678 incrementing its value.  If any threads are waiting on
679 @var{sema}, wakes one of them up.
680
681 Unlike most synchronization primitives, @func{sema_up} may be called
682 inside an external interrupt handler (@pxref{External Interrupt
683 Handling}).
684 @end deftypefun
685
686 Semaphores are internally built out of disabling interrupt
687 (@pxref{Disabling Interrupts}) and thread blocking and unblocking
688 (@func{thread_block} and @func{thread_unblock}).  Each semaphore maintains
689 a list of waiting threads, using the linked list
690 implementation in @file{lib/kernel/list.c}.
691
692 @node Locks
693 @subsection Locks
694
695 A @dfn{lock} is like a semaphore with an initial value of 1
696 (@pxref{Semaphores}).  A lock's equivalent of ``up'' is called
697 ``acquire'', and the ``down'' operation is called ``release''.
698
699 Compared to a semaphore, a lock has one added restriction: only the
700 thread that acquires a lock, called the lock's ``owner'', is allowed to
701 release it.  If this restriction is a problem, it's a good sign that a
702 semaphore should be used, instead of a lock.
703
704 Locks in Pintos are not ``recursive,'' that is, it is an error for the
705 thread currently holding a lock to try to acquire that lock.
706
707 Lock types and functions are declared in @file{threads/synch.h}.
708
709 @deftp {Type} {struct lock}
710 Represents a lock.
711 @end deftp
712
713 @deftypefun void lock_init (struct lock *@var{lock})
714 Initializes @var{lock} as a new lock.
715 The lock is not initially owned by any thread.
716 @end deftypefun
717
718 @deftypefun void lock_acquire (struct lock *@var{lock})
719 Acquires @var{lock} for the current thread, first waiting for
720 any current owner to release it if necessary.
721 @end deftypefun
722
723 @deftypefun bool lock_try_acquire (struct lock *@var{lock})
724 Tries to acquire @var{lock} for use by the current thread, without
725 waiting.  Returns true if successful, false if the lock is already
726 owned.  Calling this function in a tight loop is a bad idea because it
727 wastes CPU time, so use @func{lock_acquire} instead.
728 @end deftypefun
729
730 @deftypefun void lock_release (struct lock *@var{lock})
731 Releases @var{lock}, which the current thread must own.
732 @end deftypefun
733
734 @deftypefun bool lock_held_by_current_thread (const struct lock *@var{lock})
735 Returns true if the running thread owns @var{lock},
736 false otherwise.
737 There is no function to test whether an arbitrary thread owns a lock,
738 because the answer could change before the caller could act on it.
739 @end deftypefun
740
741 @node Monitors
742 @subsection Monitors
743
744 A @dfn{monitor} is a higher-level form of synchronization than a
745 semaphore or a lock.  A monitor consists of data being synchronized,
746 plus a lock, called the @dfn{monitor lock}, and one or more
747 @dfn{condition variables}.  Before it accesses the protected data, a
748 thread first acquires the monitor lock.  It is then said to be ``in the
749 monitor''.  While in the monitor, the thread has control over all the
750 protected data, which it may freely examine or modify.  When access to
751 the protected data is complete, it releases the monitor lock.
752
753 Condition variables allow code in the monitor to wait for a condition to
754 become true.  Each condition variable is associated with an abstract
755 condition, e.g.@: ``some data has arrived for processing'' or ``over 10
756 seconds has passed since the user's last keystroke''.  When code in the
757 monitor needs to wait for a condition to become true, it ``waits'' on
758 the associated condition variable, which releases the lock and waits for
759 the condition to be signaled.  If, on the other hand, it has caused one
760 of these conditions to become true, it ``signals'' the condition to wake
761 up one waiter, or ``broadcasts'' the condition to wake all of them.
762
763 The theoretical framework for monitors was laid out by C.@: A.@: R.@:
764 Hoare (@bibref{Hoare}).  Their practical usage was later elaborated in a
765 paper on the Mesa operating system (@bibref{Lampson}).
766
767 Condition variable types and functions are declared in
768 @file{threads/synch.h}.
769
770 @deftp {Type} {struct condition}
771 Represents a condition variable.
772 @end deftp
773
774 @deftypefun void cond_init (struct condition *@var{cond})
775 Initializes @var{cond} as a new condition variable.
776 @end deftypefun
777
778 @deftypefun void cond_wait (struct condition *@var{cond}, struct lock *@var{lock})
779 Atomically releases @var{lock} (the monitor lock) and waits for
780 @var{cond} to be signaled by some other piece of code.  After
781 @var{cond} is signaled, reacquires @var{lock} before returning.
782 @var{lock} must be held before calling this function.
783
784 Sending a signal and waking up from a wait are not an atomic operation.
785 Thus, typically @func{cond_wait}'s caller must recheck the condition
786 after the wait completes and, if necessary, wait again.  See the next
787 section for an example.
788 @end deftypefun
789
790 @deftypefun void cond_signal (struct condition *@var{cond}, struct lock *@var{lock})
791 If any threads are waiting on @var{cond} (protected by monitor lock
792 @var{lock}), then this function wakes up one of them.  If no threads are
793 waiting, returns without performing any action.
794 @var{lock} must be held before calling this function.
795 @end deftypefun
796
797 @deftypefun void cond_broadcast (struct condition *@var{cond}, struct lock *@var{lock})
798 Wakes up all threads, if any, waiting on @var{cond} (protected by
799 monitor lock @var{lock}).  @var{lock} must be held before calling this
800 function.
801 @end deftypefun
802
803 @subsubsection Monitor Example
804
805 The classical example of a monitor is handling a buffer into which one
806 or more
807 ``producer'' threads write characters and out of which one or more
808 ``consumer'' threads read characters.  To implement this we need,
809 besides the monitor lock, two condition variables which we will call
810 @var{not_full} and @var{not_empty}:
811
812 @example
813 char buf[BUF_SIZE];     /* @r{Buffer.} */
814 size_t n = 0;           /* @r{0 <= n <= @var{BUF_SIZE}: # of characters in buffer.} */
815 size_t head = 0;        /* @r{@var{buf} index of next char to write (mod @var{BUF_SIZE}).} */
816 size_t tail = 0;        /* @r{@var{buf} index of next char to read (mod @var{BUF_SIZE}).} */
817 struct lock lock;       /* @r{Monitor lock.} */
818 struct condition not_empty; /* @r{Signaled when the buffer is not empty.} */
819 struct condition not_full; /* @r{Signaled when the buffer is not full.} */
820
821 @dots{}@r{initialize the locks and condition variables}@dots{}
822
823 void put (char ch) @{
824   lock_acquire (&lock);
825   while (n == BUF_SIZE)            /* @r{Can't add to @var{buf} as long as it's full.} */
826     cond_wait (&not_full, &lock);
827   buf[head++ % BUF_SIZE] = ch;     /* @r{Add @var{ch} to @var{buf}.} */
828   n++;
829   cond_signal (&not_empty, &lock); /* @r{@var{buf} can't be empty anymore.} */
830   lock_release (&lock);
831 @}
832
833 char get (void) @{
834   char ch;
835   lock_acquire (&lock);
836   while (n == 0)                  /* @r{Can't read @var{buf} as long as it's empty.} */
837     cond_wait (&not_empty, &lock);
838   ch = buf[tail++ % BUF_SIZE];    /* @r{Get @var{ch} from @var{buf}.} */
839   n--;
840   cond_signal (&not_full, &lock); /* @r{@var{buf} can't be full anymore.} */
841   lock_release (&lock);
842 @}
843 @end example
844
845 @node Memory Barriers
846 @subsection Memory Barriers
847
848 @c We should try to come up with a better example.
849 @c Perhaps something with a linked list?
850
851 Suppose we add a ``feature'' that, whenever a timer interrupt
852 occurs, the character in global variable @code{timer_put_char} is
853 printed on the console, but only if global Boolean variable
854 @code{timer_do_put} is true.
855
856 If interrupts are enabled, this code for setting up @samp{x} to be
857 printed is clearly incorrect, because the timer interrupt could intervene
858 between the two assignments:
859
860 @example
861 timer_do_put = true;            /* INCORRECT CODE */
862 timer_put_char = 'x';
863 @end example
864
865 It might not be as obvious that the following code is just as
866 incorrect:
867
868 @example
869 timer_put_char = 'x';           /* INCORRECT CODE */
870 timer_do_put = true;
871 @end example
872
873 The reason this second example might be a problem is that the compiler
874 is, in general, free to reorder operations when it doesn't have a
875 visible reason to keep them in the same order.  In this case, the
876 compiler doesn't know that the order of assignments is important, so its
877 optimization pass is permitted to exchange their order.
878 There's no telling whether it will actually do this, and it is possible
879 that passing the compiler different optimization flags or changing
880 compiler versions will produce different behavior.
881
882 The following is @emph{not} a solution, because locks neither prevent
883 interrupts nor prevent the compiler from reordering the code within the
884 region where the lock is held:
885
886 @example
887 lock_acquire (&timer_lock);     /* INCORRECT CODE */
888 timer_put_char = 'x';
889 timer_do_put = true;
890 lock_release (&timer_lock);
891 @end example
892
893 Fortunately, real solutions do exist.  One possibility is to
894 disable interrupts around the assignments.  This does not prevent
895 reordering, but it makes the assignments atomic as observed by the
896 interrupt handler.  It also has the extra runtime cost of disabling and
897 re-enabling interrupts:
898
899 @example
900 enum intr_level old_level = intr_disable ();
901 timer_put_char = 'x';
902 timer_do_put = true;
903 intr_set_level (old_level);
904 @end example
905
906 A second possibility is to mark the declarations of
907 @code{timer_put_char} and @code{timer_do_put} as @samp{volatile}.  This
908 keyword tells the compiler that the variables are externally observable
909 and restricts its latitude for optimization.  However, the semantics of
910 @samp{volatile} are not well-defined, so it is not a good general
911 solution.
912
913 Usually, the best solution is to use a compiler feature called a
914 @dfn{memory barrier}, a special statement that prevents the compiler
915 from reordering memory operations across the barrier.  In Pintos,
916 @file{threads/synch.h} defines the @code{barrier()} macro as a memory
917 barrier.  Here's how we would use a memory barrier to fix this code:
918
919 @example
920 timer_put_char = 'x';
921 barrier ();
922 timer_do_put = true;
923 @end example
924
925 The compiler also treats invocation of any function defined externally,
926 that is, in another source file, as a limited form of a memory barrier.
927 Specifically, the compiler assumes that any externally defined function
928 may access any statically or dynamically allocated data and any local
929 variable whose address is taken.  This often means that explicit
930 barriers can be omitted, and, indeed, this is why the base Pintos code
931 does not need any barriers.
932
933 A function defined in the same source file, or in a header included by
934 the source file, cannot be relied upon as a memory barrier.
935 This applies even to invocation of a function before its
936 definition, because the compiler may read and parse the entire source
937 file before performing optimization.
938
939 @node Interrupt Handling
940 @section Interrupt Handling
941
942 An @dfn{interrupt} notifies the CPU of some event.  Much of the work
943 of an operating system relates to interrupts in one way or another.
944 For our purposes, we classify interrupts into two broad categories:
945
946 @itemize @bullet
947 @item
948 @dfn{Internal interrupts}, that is, interrupts caused directly by CPU
949 instructions.  System calls, attempts at invalid memory access
950 (@dfn{page faults}), and attempts to divide by zero are some activities
951 that cause internal interrupts.  Because they are caused by CPU
952 instructions, internal interrupts are @dfn{synchronous} or synchronized
953 with CPU instructions.  @func{intr_disable} does not disable internal
954 interrupts.
955
956 @item
957 @dfn{External interrupts}, that is, interrupts originating outside the
958 CPU.  These interrupts come from hardware devices such as the system
959 timer, keyboard, serial ports, and disks.  External interrupts are
960 @dfn{asynchronous}, meaning that their delivery is not
961 synchronized with instruction execution.  Handling of external interrupts
962 can be postponed with @func{intr_disable} and related functions
963 (@pxref{Disabling Interrupts}).
964 @end itemize
965
966 The CPU treats both classes of interrupts largely the same way,
967 so Pintos has common infrastructure to handle both classes.
968 The following section describes this
969 common infrastructure.  The sections after that give the specifics of
970 external and internal interrupts.
971
972 If you haven't already read chapter 3, ``Basic Execution Environment,''
973 in @bibref{IA32-v1}, it is recommended that you do so now.  You might
974 also want to skim chapter 5, ``Interrupt and Exception Handling,'' in
975 @bibref{IA32-v3a}.
976
977 @menu
978 * Interrupt Infrastructure::    
979 * Internal Interrupt Handling::  
980 * External Interrupt Handling::  
981 @end menu
982
983 @node Interrupt Infrastructure
984 @subsection Interrupt Infrastructure
985
986 When an interrupt occurs, the CPU saves
987 its most essential state on a stack and jumps to an interrupt
988 handler routine.  The 80@var{x}86 architecture supports 256
989 interrupts, numbered 0 through 255, each with an independent
990 handler defined in an array called the @dfn{interrupt
991 descriptor table} or IDT.
992
993 In Pintos, @func{intr_init} in @file{threads/interrupt.c} sets up the
994 IDT so that each entry points to a unique entry point in
995 @file{threads/intr-stubs.S} named @func{intr@var{NN}_stub}, where
996 @var{NN} is the interrupt number in
997 hexadecimal.  Because the CPU doesn't give
998 us any other way to find out the interrupt number, this entry point
999 pushes the interrupt number on the stack.  Then it jumps to
1000 @func{intr_entry}, which pushes all the registers that the processor
1001 didn't already push for us, and then calls @func{intr_handler}, which
1002 brings us back into C in @file{threads/interrupt.c}.
1003
1004 The main job of @func{intr_handler} is to call the function
1005 registered for handling the particular interrupt.  (If no
1006 function is registered, it dumps some information to the console and
1007 panics.)  It also does some extra processing for external
1008 interrupts (@pxref{External Interrupt Handling}).
1009
1010 When @func{intr_handler} returns, the assembly code in
1011 @file{threads/intr-stubs.S} restores all the CPU registers saved
1012 earlier and directs the CPU to return from the interrupt.
1013
1014 The following types and functions are common to all
1015 interrupts.
1016
1017 @deftp {Type} {void intr_handler_func (struct intr_frame *@var{frame})}
1018 This is how an interrupt handler function must be declared.  Its @var{frame}
1019 argument (see below) allows it to determine the cause of the interrupt
1020 and the state of the thread that was interrupted.
1021 @end deftp
1022
1023 @deftp {Type} {struct intr_frame}
1024 The stack frame of an interrupt handler, as saved by the CPU, the interrupt
1025 stubs, and @func{intr_entry}.  Its most interesting members are described
1026 below.
1027 @end deftp
1028
1029 @deftypecv {Member} {@struct{intr_frame}} uint32_t edi
1030 @deftypecvx {Member} {@struct{intr_frame}} uint32_t esi
1031 @deftypecvx {Member} {@struct{intr_frame}} uint32_t ebp
1032 @deftypecvx {Member} {@struct{intr_frame}} uint32_t esp_dummy
1033 @deftypecvx {Member} {@struct{intr_frame}} uint32_t ebx
1034 @deftypecvx {Member} {@struct{intr_frame}} uint32_t edx
1035 @deftypecvx {Member} {@struct{intr_frame}} uint32_t ecx
1036 @deftypecvx {Member} {@struct{intr_frame}} uint32_t eax
1037 @deftypecvx {Member} {@struct{intr_frame}} uint16_t es
1038 @deftypecvx {Member} {@struct{intr_frame}} uint16_t ds
1039 Register values in the interrupted thread, pushed by @func{intr_entry}.
1040 The @code{esp_dummy} value isn't actually used (refer to the
1041 description of @code{PUSHA} in @bibref{IA32-v2b} for details).
1042 @end deftypecv
1043
1044 @deftypecv {Member} {@struct{intr_frame}} uint32_t vec_no
1045 The interrupt vector number, ranging from 0 to 255.
1046 @end deftypecv
1047
1048 @deftypecv {Member} {@struct{intr_frame}} uint32_t error_code
1049 The ``error code'' pushed on the stack by the CPU for some internal
1050 interrupts.
1051 @end deftypecv
1052
1053 @deftypecv {Member} {@struct{intr_frame}} void (*eip) (void)
1054 The address of the next instruction to be executed by the interrupted
1055 thread.
1056 @end deftypecv
1057
1058 @deftypecv {Member} {@struct{intr_frame}} {void *} esp
1059 The interrupted thread's stack pointer.
1060 @end deftypecv
1061
1062 @deftypefun {const char *} intr_name (uint8_t @var{vec})
1063 Returns the name of the interrupt numbered @var{vec}, or
1064 @code{"unknown"} if the interrupt has no registered name.
1065 @end deftypefun
1066
1067 @node Internal Interrupt Handling
1068 @subsection Internal Interrupt Handling
1069
1070 Internal interrupts are caused directly by CPU instructions executed by
1071 the running kernel thread or user process (from project 2 onward).  An
1072 internal interrupt is therefore said to arise in a ``process context.''
1073
1074 In an internal interrupt's handler, it can make sense to examine the
1075 @struct{intr_frame} passed to the interrupt handler, or even to modify
1076 it.  When the interrupt returns, modifications in @struct{intr_frame}
1077 become changes to the calling thread or process's state.  For example,
1078 the Pintos system call handler returns a value to the user program by
1079 modifying the saved EAX register (@pxref{System Call Details}).
1080
1081 There are no special restrictions on what an internal interrupt
1082 handler can or can't do.  Generally they should run with interrupts
1083 enabled, just like other code, and so they can be preempted by other
1084 kernel threads.  Thus, they do need to synchronize with other threads
1085 on shared data and other resources (@pxref{Synchronization}).
1086
1087 Internal interrupt handlers can be invoked recursively.  For example,
1088 the system call handler might cause a page fault while attempting to
1089 read user memory.  Deep recursion would risk overflowing the limited
1090 kernel stack (@pxref{struct thread}), but should be unnecessary.
1091
1092 @deftypefun void intr_register_int (uint8_t @var{vec}, int @var{dpl}, enum intr_level @var{level}, intr_handler_func *@var{handler}, const char *@var{name})
1093 Registers @var{handler} to be called when internal interrupt numbered
1094 @var{vec} is triggered.  Names the interrupt @var{name} for debugging
1095 purposes.
1096
1097 If @var{level} is @code{INTR_ON}, external interrupts will be processed
1098 normally during the interrupt handler's execution, which is normally
1099 desirable.  Specifying @code{INTR_OFF} will cause the CPU to disable
1100 external interrupts when it invokes the interrupt handler.  The effect
1101 is slightly different from calling @func{intr_disable} inside the
1102 handler, because that leaves a window of one or more CPU instructions in
1103 which external interrupts are still enabled.  This is important for the
1104 page fault handler; refer to the comments in @file{userprog/exception.c}
1105 for details.
1106
1107 @var{dpl} determines how the interrupt can be invoked.  If @var{dpl} is
1108 0, then the interrupt can be invoked only by kernel threads.  Otherwise
1109 @var{dpl} should be 3, which allows user processes to invoke the
1110 interrupt with an explicit INT instruction.  The value of @var{dpl}
1111 doesn't affect user processes' ability to invoke the interrupt
1112 indirectly, e.g.@: an invalid memory reference will cause a page fault
1113 regardless of @var{dpl}.
1114 @end deftypefun
1115
1116 @node External Interrupt Handling
1117 @subsection External Interrupt Handling
1118
1119 External interrupts are caused by events outside the CPU.
1120 They are asynchronous, so they can be invoked at any time that
1121 interrupts have not been disabled.  We say that an external interrupt
1122 runs in an ``interrupt context.''
1123
1124 In an external interrupt, the @struct{intr_frame} passed to the
1125 handler is not very meaningful.  It describes the state of the thread
1126 or process that was interrupted, but there is no way to predict which
1127 one that is.  It is possible, although rarely useful, to examine it, but
1128 modifying it is a recipe for disaster.
1129
1130 Only one external interrupt may be processed at a time.  Neither
1131 internal nor external interrupt may nest within an external interrupt
1132 handler.  Thus, an external interrupt's handler must run with interrupts
1133 disabled (@pxref{Disabling Interrupts}).
1134
1135 An external interrupt handler must not sleep or yield, which rules out
1136 calling @func{lock_acquire}, @func{thread_yield}, and many other
1137 functions.  Sleeping in interrupt context would effectively put the
1138 interrupted thread to sleep, too, until the interrupt handler was again
1139 scheduled and returned.  This would be unfair to the unlucky thread, and
1140 it would deadlock if the handler were waiting for the sleeping thread
1141 to, e.g., release a lock.
1142
1143 An external interrupt handler
1144 effectively monopolizes the machine and delays all other activities.
1145 Therefore, external interrupt handlers should complete as quickly as
1146 they can.  Anything that require much CPU time should instead run in a
1147 kernel thread, possibly one that the interrupt triggers using a
1148 synchronization primitive.
1149
1150 External interrupts are controlled by a
1151 pair of devices outside the CPU called @dfn{programmable interrupt
1152 controllers}, @dfn{PICs} for short.  When @func{intr_init} sets up the
1153 CPU's IDT, it also initializes the PICs for interrupt handling.  The
1154 PICs also must be ``acknowledged'' at the end of processing for each
1155 external interrupt.  @func{intr_handler} takes care of that by calling
1156 @func{pic_end_of_interrupt}, which properly signals the PICs.
1157
1158 The following functions relate to external
1159 interrupts.
1160
1161 @deftypefun void intr_register_ext (uint8_t @var{vec}, intr_handler_func *@var{handler}, const char *@var{name})
1162 Registers @var{handler} to be called when external interrupt numbered
1163 @var{vec} is triggered.  Names the interrupt @var{name} for debugging
1164 purposes.  The handler will run with interrupts disabled.
1165 @end deftypefun
1166
1167 @deftypefun bool intr_context (void)
1168 Returns true if we are running in an interrupt context, otherwise
1169 false.  Mainly used in functions that might sleep
1170 or that otherwise should not be called from interrupt context, in this
1171 form:
1172 @example
1173 ASSERT (!intr_context ());
1174 @end example
1175 @end deftypefun
1176
1177 @deftypefun void intr_yield_on_return (void)
1178 When called in an interrupt context, causes @func{thread_yield} to be
1179 called just before the interrupt returns.  Used
1180 in the timer interrupt handler when a thread's time slice expires, to
1181 cause a new thread to be scheduled.
1182 @end deftypefun
1183
1184 @node Memory Allocation
1185 @section Memory Allocation
1186
1187 Pintos contains two memory allocators, one that allocates memory in
1188 units of a page, and one that can allocate blocks of any size.
1189
1190 @menu
1191 * Page Allocator::              
1192 * Block Allocator::             
1193 @end menu
1194
1195 @node Page Allocator
1196 @subsection Page Allocator
1197
1198 The page allocator declared in @file{threads/palloc.h} allocates
1199 memory in units of a page.  It is most often used to allocate memory
1200 one page at a time, but it can also allocate multiple contiguous pages
1201 at once.
1202
1203 The page allocator divides the memory it allocates into two pools,
1204 called the kernel and user pools.  By default, each pool gets half of
1205 system memory, but this can be changed with the @option{-ul} kernel
1206 command line
1207 option (@pxref{Why PAL_USER?}).  An allocation request draws from one
1208 pool or the other.  If one pool becomes empty, the other may still
1209 have free pages.  The user pool should be used for allocating memory
1210 for user processes and the kernel pool for all other allocations.
1211 This will only become important starting with project 3.  Until then,
1212 all allocations should be made from the kernel pool.
1213
1214 Each pool's usage is tracked with a bitmap, one bit per page in
1215 the pool.  A request to allocate @var{n} pages scans the bitmap
1216 for @var{n} consecutive bits set to
1217 false, indicating that those pages are free, and then sets those bits
1218 to true to mark them as used.  This is a ``first fit'' allocation
1219 strategy (@pxref{Wilson}).
1220
1221 The page allocator is subject to fragmentation.  That is, it may not
1222 be possible to allocate @var{n} contiguous pages even though @var{n}
1223 or more pages are free, because the free pages are separated by used
1224 pages.  In fact, in pathological cases it may be impossible to
1225 allocate 2 contiguous pages even though half of the pool's pages are free.
1226 Single-page requests can't fail due to fragmentation, so
1227 requests for multiple contiguous pages should be limited as much as
1228 possible.
1229
1230 Pages may not be allocated from interrupt context, but they may be
1231 freed.
1232
1233 When a page is freed, all of its bytes are cleared to @t{0xcc}, as
1234 a debugging aid (@pxref{Debugging Tips}).
1235
1236 Page allocator types and functions are described below.
1237
1238 @deftypefun {void *} palloc_get_page (enum palloc_flags @var{flags})
1239 @deftypefunx {void *} palloc_get_multiple (enum palloc_flags @var{flags}, size_t @var{page_cnt})
1240 Obtains and returns one page, or @var{page_cnt} contiguous pages,
1241 respectively.  Returns a null pointer if the pages cannot be allocated.
1242
1243 The @var{flags} argument may be any combination of the following flags:
1244
1245 @defvr {Page Allocator Flag} @code{PAL_ASSERT}
1246 If the pages cannot be allocated, panic the kernel.  This is only
1247 appropriate during kernel initialization.  User processes
1248 should never be permitted to panic the kernel.
1249 @end defvr
1250
1251 @defvr {Page Allocator Flag} @code{PAL_ZERO}
1252 Zero all the bytes in the allocated pages before returning them.  If not
1253 set, the contents of newly allocated pages are unpredictable.
1254 @end defvr
1255
1256 @defvr {Page Allocator Flag} @code{PAL_USER}
1257 Obtain the pages from the user pool.  If not set, pages are allocated
1258 from the kernel pool.
1259 @end defvr
1260 @end deftypefun
1261
1262 @deftypefun void palloc_free_page (void *@var{page})
1263 @deftypefunx void palloc_free_multiple (void *@var{pages}, size_t @var{page_cnt})
1264 Frees one page, or @var{page_cnt} contiguous pages, respectively,
1265 starting at @var{pages}.  All of the pages must have been obtained using
1266 @func{palloc_get_page} or @func{palloc_get_multiple}.
1267 @end deftypefun
1268
1269 @node Block Allocator
1270 @subsection Block Allocator
1271
1272 The block allocator, declared in @file{threads/malloc.h}, can allocate
1273 blocks of any size.  It is layered on top of the page allocator
1274 described in the previous section.  Blocks returned by the block
1275 allocator are obtained from the kernel pool.
1276
1277 The block allocator uses two different strategies for allocating memory.
1278 The first strategy applies to blocks that are 1 kB or smaller
1279 (one-fourth of the page size).  These allocations are rounded up to the
1280 nearest power of 2, or 16 bytes, whichever is larger.  Then they are
1281 grouped into a page used only for allocations of that size.
1282
1283 The second strategy applies to blocks larger than 1 kB.
1284 These allocations (plus a small amount of overhead) are rounded up to
1285 the nearest page in size, and then the block allocator requests that
1286 number of contiguous pages from the page allocator.
1287
1288 In either case, the difference between the allocation requested size
1289 and the actual block size is wasted.  A real operating system would
1290 carefully tune its allocator to minimize this waste, but this is
1291 unimportant in an instructional system like Pintos.
1292
1293 As long as a page can be obtained from the page allocator, small
1294 allocations always succeed.  Most small allocations do not require a
1295 new page from the page allocator at all, because they are satisfied
1296 using part of a page already allocated.  However, large allocations
1297 always require calling into the page allocator, and any allocation
1298 that needs more than one contiguous page can fail due to fragmentation,
1299 as already discussed in the previous section.  Thus, you should
1300 minimize the number of large allocations in your code, especially
1301 those over approximately 4 kB each.
1302
1303 When a block is freed, all of its bytes are cleared to @t{0xcc}, as
1304 a debugging aid (@pxref{Debugging Tips}).
1305
1306 The block allocator may not be called from interrupt context.
1307
1308 The block allocator functions are described below.  Their interfaces are
1309 the same as the standard C library functions of the same names.
1310
1311 @deftypefun {void *} malloc (size_t @var{size})
1312 Obtains and returns a new block, from the kernel pool, at least
1313 @var{size} bytes long.  Returns a null pointer if @var{size} is zero or
1314 if memory is not available.
1315 @end deftypefun
1316
1317 @deftypefun {void *} calloc (size_t @var{a}, size_t @var{b})
1318 Obtains a returns a new block, from the kernel pool, at least
1319 @code{@var{a} * @var{b}} bytes long.  The block's contents will be
1320 cleared to zeros.  Returns a null pointer if @var{a} or @var{b} is zero
1321 or if insufficient memory is available.
1322 @end deftypefun
1323
1324 @deftypefun {void *} realloc (void *@var{block}, size_t @var{new_size})
1325 Attempts to resize @var{block} to @var{new_size} bytes, possibly moving
1326 it in the process.  If successful, returns the new block, in which case
1327 the old block must no longer be accessed.  On failure, returns a null
1328 pointer, and the old block remains valid.
1329
1330 A call with @var{block} null is equivalent to @func{malloc}.  A call
1331 with @var{new_size} zero is equivalent to @func{free}.
1332 @end deftypefun
1333
1334 @deftypefun void free (void *@var{block})
1335 Frees @var{block}, which must have been previously returned by
1336 @func{malloc}, @func{calloc}, or @func{realloc} (and not yet freed).
1337 @end deftypefun
1338
1339 @node Virtual Addresses
1340 @section Virtual Addresses
1341
1342 A 32-bit virtual address can be divided into a 20-bit @dfn{page number}
1343 and a 12-bit @dfn{page offset} (or just @dfn{offset}), like this:
1344
1345 @example
1346 @group
1347                31               12 11        0
1348               +-------------------+-----------+
1349               |    Page Number    |   Offset  |
1350               +-------------------+-----------+
1351                        Virtual Address
1352 @end group
1353 @end example
1354
1355 Header @file{threads/vaddr.h} defines these functions and macros for
1356 working with virtual addresses:
1357
1358 @defmac PGSHIFT
1359 @defmacx PGBITS
1360 The bit index (0) and number of bits (12) in the offset part of a
1361 virtual address, respectively.
1362 @end defmac
1363
1364 @defmac PGMASK
1365 A bit mask with value @t{0xfff}, so that the bits in the page offset are
1366 set to 1 and other bits set to 0.
1367 @end defmac
1368
1369 @defmac PGSIZE
1370 The page size in bytes (4096).
1371 @end defmac
1372
1373 @deftypefun unsigned pg_ofs (const void *@var{va})
1374 Extracts and returns the page offset in virtual address @var{va}.
1375 @end deftypefun
1376
1377 @deftypefun uintptr_t pg_no (const void *@var{va})
1378 Extracts and returns the page number in virtual address @var{va}.
1379 @end deftypefun
1380
1381 @deftypefun {void *} pg_round_down (const void *@var{va})
1382 Returns the start of the virtual page that @var{va} points within, that
1383 is, @var{va} with the page offset set to 0.
1384 @end deftypefun
1385
1386 @deftypefun {void *} pg_round_up (const void *@var{va})
1387 Returns @var{va} rounded up to the nearest page boundary.
1388 @end deftypefun
1389
1390 Virtual memory in Pintos is divided into two regions: user virtual
1391 memory and kernel virtual memory.  The boundary between them is
1392 @code{PHYS_BASE}:
1393
1394 @defmac PHYS_BASE
1395 Base address of kernel virtual memory.  It defaults to @t{0xc0000000} (3
1396 GB), but it may be changed to any multiple of @t{0x10000000} from
1397 @t{0x80000000} to @t{0xf0000000}.
1398
1399 User virtual memory ranges from virtual address 0 up to
1400 @code{PHYS_BASE}.  Kernel virtual memory occupies the rest of the
1401 virtual address space, from @code{PHYS_BASE} up to 4 GB.
1402 @end defmac
1403
1404 @deftypefun {bool} is_user_vaddr (const void *@var{va})
1405 @deftypefunx {bool} is_kernel_vaddr (const void *@var{va})
1406 Returns true if @var{va} is a user or kernel virtual address,
1407 respectively, false otherwise.
1408 @end deftypefun
1409
1410 The 80@var{x}86 doesn't provide any way to directly access memory given
1411 a physical address.  This ability is often necessary in an operating
1412 system kernel, so Pintos works around it by mapping kernel virtual
1413 memory one-to-one to physical memory.  That is, virtual address
1414 @code{PHYS_BASE} accesses physical address 0, virtual address
1415 @code{PHYS_BASE} + @t{0x1234} accesses physical address @t{0x1234}, and
1416 so on up to the size of the machine's physical memory.  Thus, adding
1417 @code{PHYS_BASE} to a physical address obtains a kernel virtual address
1418 that accesses that address; conversely, subtracting @code{PHYS_BASE}
1419 from a kernel virtual address obtains the corresponding physical
1420 address.  Header @file{threads/vaddr.h} provides a pair of functions to
1421 do these translations:
1422
1423 @deftypefun {void *} ptov (uintptr_t @var{pa})
1424 Returns the kernel virtual address corresponding to physical address
1425 @var{pa}, which should be between 0 and the number of bytes of physical
1426 memory.
1427 @end deftypefun
1428
1429 @deftypefun {uintptr_t} vtop (void *@var{va})
1430 Returns the physical address corresponding to @var{va}, which must be a
1431 kernel virtual address.
1432 @end deftypefun
1433
1434 @node Page Table
1435 @section Page Table
1436
1437 The code in @file{pagedir.c} is an abstract interface to the 80@var{x}86
1438 hardware page table, also called a ``page directory'' by Intel processor
1439 documentation.  The page table interface uses a @code{uint32_t *} to
1440 represent a page table because this is convenient for accessing their
1441 internal structure.
1442
1443 The sections below describe the page table interface and internals.
1444
1445 @menu
1446 * Page Table Creation Destruction Activation::  
1447 * Page Tables Inspection and Updates::  
1448 * Page Table Accessed and Dirty Bits::  
1449 * Page Table Details::          
1450 @end menu
1451
1452 @node Page Table Creation Destruction Activation
1453 @subsection Creation, Destruction, and Activation
1454
1455 These functions create, destroy, and activate page tables.  The base
1456 Pintos code already calls these functions where necessary, so it should
1457 not be necessary to call them yourself.
1458
1459 @deftypefun {uint32_t *} pagedir_create (void)
1460 Creates and returns a new page table.  The new page table contains
1461 Pintos's normal kernel virtual page mappings, but no user virtual
1462 mappings.
1463
1464 Returns a null pointer if memory cannot be obtained.
1465 @end deftypefun
1466
1467 @deftypefun void pagedir_destroy (uint32_t *@var{pd})
1468 Frees all of the resources held by @var{pd}, including the page table
1469 itself and the frames that it maps.
1470 @end deftypefun
1471
1472 @deftypefun void pagedir_activate (uint32_t *@var{pd})
1473 Activates @var{pd}.  The active page table is the one used by the CPU to
1474 translate memory references.
1475 @end deftypefun
1476
1477 @node Page Tables Inspection and Updates
1478 @subsection Inspection and Updates
1479
1480 These functions examine or update the mappings from pages to frames
1481 encapsulated by a page table.  They work on both active and inactive
1482 page tables (that is, those for running and suspended processes),
1483 flushing the TLB as necessary.
1484
1485 User page parameters (@var{upage})to these functions should be user
1486 virtual addresses.  Kernel page parameters (@var{kpage}) should be
1487 kernel virtual addresses and should have been obtained from the user
1488 pool with @code{palloc_get_page(PAL_USER)} (@pxref{Why PAL_USER?}).
1489
1490 @deftypefun bool pagedir_set_page (uint32_t *@var{pd}, void *@var{upage}, void *@var{kpage}, bool @var{writable})
1491 Adds to @var{pd} a mapping from page @var{upage} to the frame identified
1492 by kernel virtual address @var{kpage}.  If @var{writable} is true, the
1493 page is mapped read/write; otherwise, it is mapped read-only.
1494
1495 Page @var{upage} must not already be mapped.  If it is, the kernel
1496 panics.
1497
1498 Returns true if successful, false on failure.  Failure will occur if
1499 additional memory required for the page table cannot be obtained.
1500 @end deftypefun
1501
1502 @deftypefun {void *} pagedir_get_page (uint32_t *@var{pd}, const void *@var{uaddr})
1503 Looks up the frame mapped to @var{upage} in @var{pd}.  Returns the
1504 kernel virtual address for that frame, if @var{upage} is mapped, or a
1505 null pointer if it is not.
1506 @end deftypefun
1507
1508 @deftypefun void pagedir_clear_page (uint32_t *@var{pd}, void *@var{upage})
1509 Marks page @var{upage} ``not present'' in @var{pd}.  Later accesses to
1510 the page will fault.
1511
1512 Other bits in the page table for @var{upage} are preserved, permitting
1513 the accessed and dirty bits (see the next section) to be checked.
1514
1515 If @var{upage} is not mapped, this function has no effect.
1516 @end deftypefun
1517
1518 @node Page Table Accessed and Dirty Bits
1519 @subsection Accessed and Dirty Bits
1520
1521 80@var{x}86 hardware provides some assistance for implementing page
1522 replacement algorithms, through a pair of bits in the page table entry
1523 (PTE) for each page.  On any read or write to a page, the CPU sets the
1524 @dfn{accessed bit} to 1 in the page's PTE, and on any write, the CPU
1525 sets the @dfn{dirty bit} to 1.  The CPU never resets these bits to 0,
1526 but the OS may do so.
1527
1528 Proper interpretation of these bits requires understanding of
1529 @dfn{aliases}, that is, two (or more) pages that refer to the same
1530 frame.  When an aliased frame is accessed, the accessed and dirty bits
1531 are updated in only one page table entry (the one for the page used for
1532 access).  The accessed and dirty bits for the other aliases are not
1533 updated.
1534
1535 @xref{Accessed and Dirty Bits}, on applying these bits in implementing
1536 page replacement algorithms.
1537
1538 @deftypefun bool pagedir_is_dirty (uint32_t *@var{pd}, const void *@var{page})
1539 @deftypefunx bool pagedir_is_accessed (uint32_t *@var{pd}, const void *@var{page})
1540 Returns true if page directory @var{pd} contains a page table entry for
1541 @var{page} that is marked dirty (or accessed).  Otherwise,
1542 returns false.
1543 @end deftypefun
1544
1545 @deftypefun void pagedir_set_dirty (uint32_t *@var{pd}, const void *@var{page}, bool @var{value})
1546 @deftypefunx void pagedir_set_accessed (uint32_t *@var{pd}, const void *@var{page}, bool @var{value})
1547 If page directory @var{pd} has a page table entry for @var{page}, then
1548 its dirty (or accessed) bit is set to @var{value}.
1549 @end deftypefun
1550
1551 @node Page Table Details
1552 @subsection Page Table Details
1553
1554 The functions provided with Pintos are sufficient to implement the
1555 projects.  However, you may still find it worthwhile to understand the
1556 hardware page table format, so we'll go into a little detail in this
1557 section.
1558
1559 @menu
1560 * Page Table Structure::        
1561 * Page Table Entry Format::     
1562 * Page Directory Entry Format::  
1563 @end menu
1564
1565 @node Page Table Structure
1566 @subsubsection Structure
1567
1568 The top-level paging data structure is a page called the ``page
1569 directory'' (PD) arranged as an array of 1,024 32-bit page directory
1570 entries (PDEs), each of which represents 4 MB of virtual memory.  Each
1571 PDE may point to the physical address of another page called a
1572 ``page table'' (PT) arranged, similarly, as an array of 1,024
1573 32-bit page table entries (PTEs), each of which translates a single 4
1574 kB virtual page to a physical page.
1575
1576 Translation of a virtual address into a physical address follows
1577 the three-step process illustrated in the diagram
1578 below:@footnote{Actually, virtual to physical translation on the
1579 80@var{x}86 architecture occurs via an intermediate ``linear
1580 address,'' but Pintos (and most modern 80@var{x}86 OSes) set up the CPU
1581 so that linear and virtual addresses are one and the same.  Thus, you
1582 can effectively ignore this CPU feature.}
1583
1584 @enumerate 1
1585 @item
1586 The most-significant 10 bits of the virtual address (bits 22@dots{}31)
1587 index the page directory.  If the PDE is marked ``present,'' the
1588 physical address of a page table is read from the PDE thus obtained.
1589 If the PDE is marked ``not present'' then a page fault occurs.
1590
1591 @item
1592 The next 10 bits of the virtual address (bits 12@dots{}21) index
1593 the page table.  If the PTE is marked ``present,'' the physical
1594 address of a data page is read from the PTE thus obtained.  If the PTE
1595 is marked ``not present'' then a page fault occurs.
1596
1597 @item
1598 The least-significant 12 bits of the virtual address (bits 0@dots{}11)
1599 are added to the data page's physical base address, yielding the final
1600 physical address.
1601 @end enumerate
1602
1603 @example
1604 @group
1605  31                  22 21                  12 11                   0
1606 +----------------------+----------------------+----------------------+
1607 | Page Directory Index |   Page Table Index   |    Page Offset       |
1608 +----------------------+----------------------+----------------------+
1609              |                    |                     |
1610      _______/             _______/                _____/
1611     /                    /                       /
1612    /    Page Directory  /      Page Table       /    Data Page
1613   /     .____________. /     .____________.    /   .____________.
1614   |1,023|____________| |1,023|____________|    |   |____________|
1615   |1,022|____________| |1,022|____________|    |   |____________|
1616   |1,021|____________| |1,021|____________|    \__\|____________|
1617   |1,020|____________| |1,020|____________|       /|____________|
1618   |     |            | |     |            |        |            |
1619   |     |            | \____\|            |_       |            |
1620   |     |      .     |      /|      .     | \      |      .     |
1621   \____\|      .     |_      |      .     |  |     |      .     |
1622        /|      .     | \     |      .     |  |     |      .     |
1623         |      .     |  |    |      .     |  |     |      .     |
1624         |            |  |    |            |  |     |            |
1625         |____________|  |    |____________|  |     |____________|
1626        4|____________|  |   4|____________|  |     |____________|
1627        3|____________|  |   3|____________|  |     |____________|
1628        2|____________|  |   2|____________|  |     |____________|
1629        1|____________|  |   1|____________|  |     |____________|
1630        0|____________|  \__\0|____________|  \____\|____________|
1631                            /                      /
1632 @end group
1633 @end example
1634
1635 Pintos provides some macros and functions that are useful for working
1636 with raw page tables:
1637
1638 @defmac PTSHIFT
1639 @defmacx PTBITS
1640 The bit index (12) and number of bits (10), respectively, in a page table
1641 index within a virtual address.
1642 @end defmac
1643
1644 @defmac PTMASK
1645 A bit mask with the bits in the page table index set to 1 and other bits
1646 set to 0.
1647 @end defmac
1648
1649 @defmac PTSPAN
1650 The number of bytes of virtual address space that a single page table
1651 page covers (4,194,304 bytes, or 4 MB).
1652 @end defmac
1653
1654 @defmac PDSHIFT
1655 @defmacx PDBITS
1656 The bit index (22) and number of bits (10), respectively, in a page
1657 directory index within a virtual address.
1658 @end defmac
1659
1660 @defmac PDMASK
1661 A bit mask with the bits in the page directory index set to 1 and other
1662 bits set to 0.
1663 @end defmac
1664
1665 @deftypefun uintptr_t pd_no (const void *@var{va})
1666 @deftypefunx uintptr_t pt_no (const void *@var{va})
1667 Returns the page directory index or page table index, respectively, for
1668 virtual address @var{va}.  These functions are defined in
1669 @file{threads/pte.h}.
1670 @end deftypefun
1671
1672 @deftypefun unsigned pg_ofs (const void *@var{va})
1673 Returns the page offset for virtual address @var{va}.  This function is
1674 defined in @file{threads/vaddr.h}.
1675 @end deftypefun
1676
1677 @node Page Table Entry Format
1678 @subsubsection Page Table Entry Format
1679
1680 You do not need to understand the PTE format to do the Pintos
1681 projects, unless you wish to incorporate the page table into your
1682 supplemental page table (@pxref{Managing the Supplemental Page Table}).
1683
1684 The actual format of a page table entry is summarized below.  For
1685 complete information, refer to section 3.7, ``Page Translation Using
1686 32-Bit Physical Addressing,'' in @bibref{IA32-v3a}.
1687
1688 @example
1689 @group
1690  31                                   12 11 9      6 5     2 1 0
1691 +---------------------------------------+----+----+-+-+---+-+-+-+
1692 |           Physical Address            | AVL|    |D|A|   |U|W|P|
1693 +---------------------------------------+----+----+-+-+---+-+-+-+
1694 @end group
1695 @end example
1696
1697 Some more information on each bit is given below.  The names are
1698 @file{threads/pte.h} macros that represent the bits' values:
1699
1700 @defmac PTE_P
1701 Bit 0, the ``present'' bit.  When this bit is 1, the
1702 other bits are interpreted as described below.  When this bit is 0, any
1703 attempt to access the page will page fault.  The remaining bits are then
1704 not used by the CPU and may be used by the OS for any purpose.
1705 @end defmac
1706
1707 @defmac PTE_W
1708 Bit 1, the ``read/write'' bit.  When it is 1, the page
1709 is writable.  When it is 0, write attempts will page fault.
1710 @end defmac
1711
1712 @defmac PTE_U
1713 Bit 2, the ``user/supervisor'' bit.  When it is 1, user
1714 processes may access the page.  When it is 0, only the kernel may access
1715 the page (user accesses will page fault).
1716
1717 Pintos clears this bit in PTEs for kernel virtual memory, to prevent
1718 user processes from accessing them.
1719 @end defmac
1720  
1721 @defmac PTE_A
1722 Bit 5, the ``accessed'' bit.  @xref{Page Table Accessed
1723 and Dirty Bits}.
1724 @end defmac
1725
1726 @defmac PTE_D
1727 Bit 6, the ``dirty'' bit.  @xref{Page Table Accessed and
1728 Dirty Bits}.
1729 @end defmac
1730
1731 @defmac PTE_AVL
1732 Bits 9@dots{}11, available for operating system use.
1733 Pintos, as provided, does not use them and sets them to 0.
1734 @end defmac
1735
1736 @defmac PTE_ADDR
1737 Bits 12@dots{}31, the top 20 bits of the physical address of a frame.
1738 The low 12 bits of the frame's address are always 0.
1739 @end defmac
1740
1741 Other bits are either reserved or uninteresting in a Pintos context and
1742 should be set to@tie{}0.
1743
1744 Header @file{threads/pte.h} defines three functions for working with
1745 page table entries:
1746
1747 @deftypefun uint32_t pte_create_kernel (uint32_t *@var{page}, bool @var{writable})
1748 Returns a page table entry that points to @var{page}, which should be a
1749 kernel virtual address.  The PTE's present bit will be set.  It will be
1750 marked for kernel-only access.  If @var{writable} is true, the PTE will
1751 also be marked read/write; otherwise, it will be read-only.
1752 @end deftypefun
1753
1754 @deftypefun uint32_t pte_create_user (uint32_t *@var{page}, bool @var{writable})
1755 Returns a page table entry that points to @var{page}, which should be
1756 the kernel virtual address of a frame in the user pool (@pxref{Why
1757 PAL_USER?}).  The PTE's present bit will be set and it will be marked to
1758 allow user-mode access.  If @var{writable} is true, the PTE will also be
1759 marked read/write; otherwise, it will be read-only.
1760 @end deftypefun
1761
1762 @deftypefun {void *} pte_get_page (uint32_t @var{pte})
1763 Returns the kernel virtual address for the frame that @var{pte} points
1764 to.  The @var{pte} may be present or not-present; if it is not-present
1765 then the pointer return is only meaningful if the proper bits in the PTE
1766 actually represent a physical address.
1767 @end deftypefun
1768
1769 @node Page Directory Entry Format
1770 @subsubsection Page Directory Entry Format
1771
1772 Page directory entries have the same format as PTEs, except that the
1773 physical address points to a page table page instead of a frame.  Header
1774 @file{threads/pte.h} defines two functions for working with page
1775 directory entries:
1776
1777 @deftypefun uint32_t pde_create (uint32_t *@var{pt})
1778 Returns a page directory that points to @var{page}, which should be the
1779 kernel virtual address of a page table page.  The PDE's present bit will
1780 be set, it will be marked to allow user-mode access, and it will be
1781 marked read/write.
1782 @end deftypefun
1783
1784 @deftypefun {uint32_t *} pde_get_pt (uint32_t @var{pde})
1785 Returns the kernel virtual address for the page table page that
1786 @var{pde} points to.  The @var{pde} must be marked present.
1787 @end deftypefun
1788
1789 @node Hash Table
1790 @section Hash Table
1791
1792 Pintos provides a hash table data structure in @file{lib/kernel/hash.c}.
1793 To use it you will need to manually include its header file,
1794 @file{lib/kernel/hash.h}, with @code{#include <hash.h>}.  Intentionally,
1795 no code provided with Pintos uses the hash table, which means that you
1796 are free to use it as is, modify its implementation for your own
1797 purposes, or ignore it, as you wish.
1798
1799 Most implementations of the virtual memory project use a hash table to
1800 translate pages to frames.  You may find other uses for hash tables as
1801 well.
1802
1803 @menu
1804 * Hash Data Types::             
1805 * Basic Hash Functions::        
1806 * Hash Search Functions::       
1807 * Hash Iteration Functions::    
1808 * Hash Table Example::          
1809 * Hash Auxiliary Data::         
1810 * Hash Synchronization::        
1811 @end menu
1812
1813 @node Hash Data Types
1814 @subsection Data Types
1815
1816 A hash table is represented by @struct{hash}.
1817
1818 @deftp {Type} {struct hash}
1819 Represents an entire hash table.  The actual members of @struct{hash}
1820 are ``opaque.''  That is, code that uses a hash table should not access
1821 @struct{hash} members directly, nor should it need to.  Instead, use
1822 hash table functions and macros.
1823 @end deftp
1824
1825 The hash table operates on elements of type @struct{hash_elem}.
1826
1827 @deftp {Type} {struct hash_elem}
1828 Embed a @struct{hash_elem} member in the structure you want to include
1829 in a hash table.  Like @struct{hash}, @struct{hash_elem} is opaque.
1830 All functions for operating on hash table elements actually take and
1831 return pointers to @struct{hash_elem}, not pointers to your hash table's
1832 real element type.
1833 @end deftp
1834
1835 You will often need to obtain a @struct{hash_elem}
1836 given a real element of the hash table, and vice versa.  Given
1837 a real element of the hash table, obtaining a pointer to its
1838 @struct{hash_elem} is trivial: take the address of the
1839 @struct{hash_elem} member.  Use the @code{hash_entry()} macro to go the
1840 other direction.
1841
1842 @deftypefn {Macro} {@var{type} *} hash_entry (struct hash_elem *@var{elem}, @var{type}, @var{member})
1843 Returns a pointer to the structure that @var{elem}, a pointer to a
1844 @struct{hash_elem}, is embedded within.  You must provide @var{type},
1845 the name of the structure that @var{elem} is inside, and @var{member},
1846 the name of the member in @var{type} that @var{elem} points to.
1847
1848 For example, suppose @code{h} is a @code{struct hash_elem *} variable
1849 that points to a @struct{thread} member (of type @struct{hash_elem})
1850 named @code{h_elem}.  Then, @code{hash_entry (h, struct thread, h_elem)}
1851 yields the address of the @struct{thread} that @code{h} points within.
1852 @end deftypefn
1853
1854 Each hash table element must contain a key, that is, data that
1855 identifies and distinguishes elements in the hash table.  Every element
1856 in a hash table at a given time must have a unique key.  (Elements may
1857 also contain non-key data that need not be unique.)  While an element is
1858 in a hash table, its key data must not be changed.  For each hash table,
1859 you must write two functions that act on keys: a hash function and a
1860 comparison function.  These functions must match the following
1861 prototypes:
1862
1863 @deftp {Type} {unsigned hash_hash_func (const struct hash_elem *@var{element}, void *@var{aux})}
1864 Returns a hash of @var{element}'s data, as a value anywhere in the range
1865 of @code{unsigned int}.  The hash of an element should be a
1866 pseudo-random function of the element's key.  It must not depend on
1867 non-key data in the element or on any non-constant data other than the
1868 key.  Pintos provides the following functions as a suitable basis for
1869 hash functions.
1870
1871 @deftypefun unsigned hash_bytes (const void *@var{buf}, size_t *@var{size})
1872 Returns a hash of the @var{size} bytes starting at @var{buf}.  The
1873 implementation is the general-purpose
1874 @uref{http://en.wikipedia.org/wiki/Fowler_Noll_Vo_hash, Fowler-Noll-Vo
1875 hash} for 32-bit words.
1876 @end deftypefun
1877
1878 @deftypefun unsigned hash_string (const char *@var{s})
1879 Returns a hash of null-terminated string @var{s}.
1880 @end deftypefun
1881
1882 @deftypefun unsigned hash_int (int @var{i})
1883 Returns a hash of integer @var{i}.
1884 @end deftypefun
1885
1886 If your key is a single piece of data of an appropriate type, it is
1887 sensible for your hash function to directly return the output of one of
1888 these functions.  For multiple pieces of data, you may wish to combine
1889 the output of more than one call to them using, e.g., the @samp{^}
1890 (exclusive or)
1891 operator.  Finally, you may entirely ignore these functions and write
1892 your own hash function from scratch, but remember that your goal is to
1893 build an operating system kernel, not to design a hash function.
1894
1895 @xref{Hash Auxiliary Data}, for an explanation of @var{aux}.
1896 @end deftp
1897
1898 @deftp {Type} {bool hash_less_func (const struct hash_elem *@var{a}, const struct hash_elem *@var{b}, void *@var{aux})}
1899 Compares the keys stored in elements @var{a} and @var{b}.  Returns
1900 true if @var{a} is less than @var{b}, false if @var{a} is greater than
1901 or equal to @var{b}.
1902
1903 If two elements compare equal, then they must hash to equal values.
1904
1905 @xref{Hash Auxiliary Data}, for an explanation of @var{aux}.
1906 @end deftp
1907
1908 A few functions that act on hashes accept a pointer to a third kind of
1909 function as an argument:
1910
1911 @deftp {Type} {void hash_action_func (struct hash_elem *@var{element}, void *@var{aux})}
1912 Performs some kind of action, chosen by the caller, on @var{element}.
1913
1914 @xref{Hash Auxiliary Data}, for an explanation of @var{aux}.
1915 @end deftp
1916
1917 @node Basic Hash Functions
1918 @subsection Basic Functions
1919
1920 These functions create and destroy hash tables and obtain basic
1921 information about their contents.
1922
1923 @deftypefun bool hash_init (struct hash *@var{hash}, hash_hash_func *@var{hash_func}, hash_less_func *@var{less_func}, void *@var{aux})
1924 Initializes @var{hash} as a hash table using @var{hash_func} as hash
1925 function, @var{less_func} as comparison function, and @var{aux} as
1926 auxiliary data.
1927 Returns true if successful, false on failure.  @func{hash_init} calls
1928 @func{malloc} and fails if memory cannot be allocated.
1929
1930 @xref{Hash Auxiliary Data}, for an explanation of @var{aux}, which is
1931 most often a null pointer.
1932 @end deftypefun
1933
1934 @deftypefun void hash_clear (struct hash *@var{hash}, hash_action_func *@var{action})
1935 Removes all the elements from @var{hash}, which must have been
1936 previously initialized with @func{hash_init}.
1937
1938 If @var{action} is non-null, then it is called once for each element in
1939 the hash table, which gives the caller an opportunity to deallocate any
1940 memory or other resources used by the element.  For example, if the hash
1941 table elements are dynamically allocated using @func{malloc}, then
1942 @var{action} could @func{free} the element.  This is safe because
1943 @func{hash_clear} will not access the memory in a given hash element
1944 after calling @var{action} on it.  However, @var{action} must not call
1945 any function that may modify the hash table, such as @func{hash_insert}
1946 or @func{hash_delete}.
1947 @end deftypefun
1948
1949 @deftypefun void hash_destroy (struct hash *@var{hash}, hash_action_func *@var{action})
1950 If @var{action} is non-null, calls it for each element in the hash, with
1951 the same semantics as a call to @func{hash_clear}.  Then, frees the
1952 memory held by @var{hash}.  Afterward, @var{hash} must not be passed to
1953 any hash table function, absent an intervening call to @func{hash_init}.
1954 @end deftypefun
1955
1956 @deftypefun size_t hash_size (struct hash *@var{hash})
1957 Returns the number of elements currently stored in @var{hash}.
1958 @end deftypefun
1959
1960 @deftypefun bool hash_empty (struct hash *@var{hash})
1961 Returns true if @var{hash} currently contains no elements,
1962 false if @var{hash} contains at least one element.
1963 @end deftypefun
1964
1965 @node Hash Search Functions
1966 @subsection Search Functions
1967
1968 Each of these functions searches a hash table for an element that
1969 compares equal to one provided.  Based on the success of the search,
1970 they perform some action, such as inserting a new element into the hash
1971 table, or simply return the result of the search.
1972
1973 @deftypefun {struct hash_elem *} hash_insert (struct hash *@var{hash}, struct hash_elem *@var{element})
1974 Searches @var{hash} for an element equal to @var{element}.  If none is
1975 found, inserts @var{element} into @var{hash} and returns a null pointer.
1976 If the table already contains an element equal to @var{element}, returns
1977 the existing element without modifying @var{hash}.
1978 @end deftypefun
1979
1980 @deftypefun {struct hash_elem *} hash_replace (struct hash *@var{hash}, struct hash_elem *@var{element})
1981 Inserts @var{element} into @var{hash}.  Any element equal to
1982 @var{element} already in @var{hash} is removed.  Returns the element
1983 removed, or a null pointer if @var{hash} did not contain an element
1984 equal to @var{element}.
1985
1986 The caller is responsible for deallocating any resources associated with
1987 the element returned, as appropriate.  For example, if the hash table
1988 elements are dynamically allocated using @func{malloc}, then the caller
1989 must @func{free} the element after it is no longer needed.
1990 @end deftypefun
1991
1992 The element passed to the following functions is only used for hashing
1993 and comparison purposes.  It is never actually inserted into the hash
1994 table.  Thus, only the key data in the element need be initialized, and
1995 other data in the element will not be used.  It often makes sense to
1996 declare an instance of the element type as a local variable, initialize
1997 the key data, and then pass the address of its @struct{hash_elem} to
1998 @func{hash_find} or @func{hash_delete}.  @xref{Hash Table Example}, for
1999 an example.  (Large structures should not be
2000 allocated as local variables.  @xref{struct thread}, for more
2001 information.)
2002
2003 @deftypefun {struct hash_elem *} hash_find (struct hash *@var{hash}, struct hash_elem *@var{element})
2004 Searches @var{hash} for an element equal to @var{element}.  Returns the
2005 element found, if any, or a null pointer otherwise.
2006 @end deftypefun
2007
2008 @deftypefun {struct hash_elem *} hash_delete (struct hash *@var{hash}, struct hash_elem *@var{element})
2009 Searches @var{hash} for an element equal to @var{element}.  If one is
2010 found, it is removed from @var{hash} and returned.  Otherwise, a null
2011 pointer is returned and @var{hash} is unchanged.
2012
2013 The caller is responsible for deallocating any resources associated with
2014 the element returned, as appropriate.  For example, if the hash table
2015 elements are dynamically allocated using @func{malloc}, then the caller
2016 must @func{free} the element after it is no longer needed.
2017 @end deftypefun
2018
2019 @node Hash Iteration Functions
2020 @subsection Iteration Functions
2021
2022 These functions allow iterating through the elements in a hash table.
2023 Two interfaces are supplied.  The first requires writing and supplying a
2024 @var{hash_action_func} to act on each element (@pxref{Hash Data Types}).
2025
2026 @deftypefun void hash_apply (struct hash *@var{hash}, hash_action_func *@var{action})
2027 Calls @var{action} once for each element in @var{hash}, in arbitrary
2028 order.  @var{action} must not call any function that may modify the hash
2029 table, such as @func{hash_insert} or @func{hash_delete}.  @var{action}
2030 must not modify key data in elements, although it may modify any other
2031 data.
2032 @end deftypefun
2033
2034 The second interface is based on an ``iterator'' data type.
2035 Idiomatically, iterators are used as follows:
2036
2037 @example
2038 struct hash_iterator i;
2039
2040 hash_first (&i, h);
2041 while (hash_next (&i))
2042   @{
2043     struct foo *f = hash_entry (hash_cur (&i), struct foo, elem);
2044     @r{@dots{}do something with @i{f}@dots{}}
2045   @}
2046 @end example
2047
2048 @deftp {Type} {struct hash_iterator}
2049 Represents a position within a hash table.  Calling any function that
2050 may modify a hash table, such as @func{hash_insert} or
2051 @func{hash_delete}, invalidates all iterators within that hash table.
2052
2053 Like @struct{hash} and @struct{hash_elem}, @struct{hash_elem} is opaque.
2054 @end deftp
2055
2056 @deftypefun void hash_first (struct hash_iterator *@var{iterator}, struct hash *@var{hash})
2057 Initializes @var{iterator} to just before the first element in
2058 @var{hash}.
2059 @end deftypefun
2060
2061 @deftypefun {struct hash_elem *} hash_next (struct hash_iterator *@var{iterator})
2062 Advances @var{iterator} to the next element in @var{hash}, and returns
2063 that element.  Returns a null pointer if no elements remain.  After
2064 @func{hash_next} returns null for @var{iterator}, calling it again
2065 yields undefined behavior.
2066 @end deftypefun
2067
2068 @deftypefun {struct hash_elem *} hash_cur (struct hash_iterator *@var{iterator})
2069 Returns the value most recently returned by @func{hash_next} for
2070 @var{iterator}.  Yields undefined behavior after @func{hash_first} has
2071 been called on @var{iterator} but before @func{hash_next} has been
2072 called for the first time.
2073 @end deftypefun
2074
2075 @node Hash Table Example
2076 @subsection Hash Table Example
2077
2078 Suppose you have a structure, called @struct{page}, that you
2079 want to put into a hash table.  First, define @struct{page} to include a
2080 @struct{hash_elem} member:
2081
2082 @example
2083 struct page
2084   @{
2085     struct hash_elem hash_elem; /* @r{Hash table element.} */
2086     void *addr;                 /* @r{Virtual address.} */
2087     /* @r{@dots{}other members@dots{}} */
2088   @};
2089 @end example
2090
2091 We write a hash function and a comparison function using @var{addr} as
2092 the key.  A pointer can be hashed based on its bytes, and the @samp{<}
2093 operator works fine for comparing pointers:
2094
2095 @example
2096 /* @r{Returns a hash value for page @var{p}.} */
2097 unsigned
2098 page_hash (const struct hash_elem *p_, void *aux UNUSED)
2099 @{
2100   const struct page *p = hash_entry (p_, struct page, hash_elem);
2101   return hash_bytes (&p->addr, sizeof p->addr);
2102 @}
2103
2104 /* @r{Returns true if page @var{a} precedes page @var{b}.} */
2105 bool
2106 page_less (const struct hash_elem *a_, const struct hash_elem *b_,
2107            void *aux UNUSED)
2108 @{
2109   const struct page *a = hash_entry (a_, struct page, hash_elem);
2110   const struct page *b = hash_entry (b_, struct page, hash_elem);
2111
2112   return a->addr < b->addr;
2113 @}
2114 @end example
2115
2116 @noindent
2117 (The use of @code{UNUSED} in these functions' prototypes suppresses a
2118 warning that @var{aux} is unused.  @xref{Function and Parameter
2119 Attributes}, for information about @code{UNUSED}.  @xref{Hash Auxiliary
2120 Data}, for an explanation of @var{aux}.)
2121
2122 Then, we can create a hash table like this:
2123
2124 @example
2125 struct hash pages;
2126
2127 hash_init (&pages, page_hash, page_less, NULL);
2128 @end example
2129
2130 Now we can manipulate the hash table we've created.  If @code{@var{p}}
2131 is a pointer to a @struct{page}, we can insert it into the hash table
2132 with:
2133
2134 @example
2135 hash_insert (&pages, &p->hash_elem);
2136 @end example
2137
2138 @noindent If there's a chance that @var{pages} might already contain a
2139 page with the same @var{addr}, then we should check @func{hash_insert}'s
2140 return value.
2141
2142 To search for an element in the hash table, use @func{hash_find}.  This
2143 takes a little setup, because @func{hash_find} takes an element to
2144 compare against.  Here's a function that will find and return a page
2145 based on a virtual address, assuming that @var{pages} is defined at file
2146 scope:
2147
2148 @example
2149 /* @r{Returns the page containing the given virtual @var{address},
2150    or a null pointer if no such page exists.} */
2151 struct page *
2152 page_lookup (const void *address)
2153 @{
2154   struct page p;
2155   struct hash_elem *e;
2156
2157   p.addr = address;
2158   e = hash_find (&pages, &p.hash_elem);
2159   return e != NULL ? hash_entry (e, struct page, hash_elem) : NULL;
2160 @}
2161 @end example
2162
2163 @noindent
2164 @struct{page} is allocated as a local variable here on the assumption
2165 that it is fairly small.  Large structures should not be allocated as
2166 local variables.  @xref{struct thread}, for more information.
2167
2168 A similar function could delete a page by address using
2169 @func{hash_delete}.
2170
2171 @node Hash Auxiliary Data
2172 @subsection Auxiliary Data
2173
2174 In simple cases like the example above, there's no need for the
2175 @var{aux} parameters.  In these cases, just pass a null pointer to
2176 @func{hash_init} for @var{aux} and ignore the values passed to the hash
2177 function and comparison functions.  (You'll get a compiler warning if
2178 you don't use the @var{aux} parameter, but you can turn that off with
2179 the @code{UNUSED} macro, as shown in the example, or you can just ignore
2180 it.)
2181
2182 @var{aux} is useful when you have some property of the data in the
2183 hash table that's both constant and needed for hashing or comparisons,
2184 but which is not stored in the data items themselves.  For example, if
2185 the items in a hash table contain fixed-length strings, but the items
2186 themselves don't indicate what that fixed length is, you could pass
2187 the length as an @var{aux} parameter.
2188
2189 @node Hash Synchronization
2190 @subsection Synchronization
2191
2192 The hash table does not do any internal synchronization.  It is the
2193 caller's responsibility to synchronize calls to hash table functions.
2194 In general, any number of functions that examine but do not modify the
2195 hash table, such as @func{hash_find} or @func{hash_next}, may execute
2196 simultaneously.  However, these function cannot safely execute at the
2197 same time as any function that may modify a given hash table, such as
2198 @func{hash_insert} or @func{hash_delete}, nor may more than one function
2199 that can modify a given hash table execute safely at once.
2200
2201 It is also the caller's responsibility to synchronize access to data in
2202 hash table elements.  How to synchronize access to this data depends on
2203 how it is designed and organized, as with any other data structure.
2204