Switch the base file system from direct-indexed inodes to extents.
[pintos-anon] / doc / userprog.texi
1 @node Project 2--User Programs, Project 3--Virtual Memory, Project 1--Threads, Top
2 @chapter Project 2: User Programs
3
4 Now that you've worked with Pintos and are familiar with its
5 infrastructure and thread package, it's time to start working on the
6 parts of the system that will allow users to run programs on top of
7 your operating system.  The base code already supports loading and
8 running a single user program at a time with little interactivity
9 possible.  You will allow multiple programs to be loaded in at once,
10 and to interact with the OS via system calls.
11
12 You will be working out of the @file{userprog} directory for this
13 assignment.  However, you will also be interacting with almost every
14 other part of the code for this assignment. We will describe the
15 relevant parts below. If you are confident in your HW1 code, you can
16 build on top of it.  However, if you wish you can start with a fresh
17 copy of the code and re-implement @func{thread_join}, which is the
18 only part of project #1 required for this assignment.  Your submission
19 should define @code{THREAD_JOIN_IMPLEMENTED} in @file{constants.h}
20 (@pxref{Conditional Compilation}).
21
22 Up to now, all of the code you have written for Pintos has been part
23 of the operating system kernel.  This means, for example, that all the
24 test code from the last assignment ran as part of the kernel, with
25 full access to privileged parts of the system.  Once we start running
26 user programs on top of the operating system, this is no longer true.
27 This project deals with consequences of the change.
28
29 We allow more than one user program to run at a time.  Because user
30 programs are written and compiled to work under the illusion that they
31 have the entire machine, when you load into memory and run more than
32 one process at a time, you must manage things correctly to maintain
33 this illusion.
34
35 Before we delve into the details of the new code that you'll be
36 working with, you should probably undo the test cases from project 1.
37
38 @menu
39 * Project 2 Code::              
40 * Using the File System::       
41 * How User Programs Work::      
42 * Virtual Memory Layout::       
43 * Global Requirements::         
44 * Problem 2-1 Argument Passing::  
45 * Problem 2-2 System Calls::    
46 * User Programs FAQ::           
47 * 80x86 Calling Convention::    
48 * System Calls::                
49 @end menu
50
51 @node Project 2 Code
52 @section Code
53
54 The easiest way to get an overview of the programming you will be
55 doing is to simply go over each part you'll be working with.  In
56 @file{userprog}, you'll find a small number of files, but here is
57 where the bulk of your work will be:
58
59 @table @file
60 @item process.c
61 @itemx process.h
62 Loads ELF binaries and starts processes.
63
64 @item pagedir.c
65 @itemx pagedir.h
66 A simple manager for 80@var{x} page directories and page tables.
67 Although you probably won't want to modify this code for this project,
68 you may want to call some of its functions.  In particular,
69 @func{pagedir_get_page} may be helpful for accessing user memory.
70
71 @item syscall.c
72 @itemx syscall.h
73 Whenever a user process wants to access some kernel functionality, it
74 needs to do so via a system call.  This is a skeleton system call
75 handler.  Currently, it just prints a message and terminates the user
76 process.  In part 2 of this project you will add code to do everything
77 else needed by system calls.
78
79 @item exception.c
80 @itemx exception.h
81 When a user process performs a privileged or prohibited operation, it
82 traps into the kernel as an ``exception'' or ``fault.''@footnote{We
83 will treat these terms as synonymous.  There is no standard
84 distinction between them, although the Intel processor manuals define
85 them slightly differently on 80@var{x}86.}  These files handle
86 exceptions.  Currently all exceptions simply print a message and
87 terminate the process.  Some, but not all, solutions to project 2
88 require modifying @func{page_fault} in this file.
89
90 @item gdt.c
91 @itemx gdt.c
92 The 80@var{x}86 is a segmented architecture.  The Global Descriptor
93 Table (GDT) is a table that describes the segments in use.  These
94 files set up the GDT.  @strong{You should not need to modify these
95 files for any of the projects.}  However, you can read the code if
96 you're interested in how the GDT works.
97
98 @item tss.c
99 @itemx tss.c
100 The Task-State Segment (TSS) is used for 80@var{x}86 architectural
101 task switching.  Pintos uses the TSS only for switching stacks when a
102 user process enters an interrupt handler, as does Linux.  @strong{You
103 should not need to modify these files for any of the projects.}
104 However, you can read the code if you're interested in how the TSS
105 works.
106 @end table
107
108 Finally, in @file{lib/kernel}, you might want to use
109 @file{bitmap.[ch]}.  A bitmap is basically an array of bits, each of
110 which can be true or false.  Bitmaps are typically used to keep track
111 of the usage of a large array of (identical) resources: if resource
112 @var{n} is in use, then bit @var{n} of the bitmap is true.  You might
113 find it useful for tracking memory pages, for example.
114
115 @node Using the File System
116 @section Using the File System
117
118 You will need to use some file system code for this project.  First,
119 user programs are loaded from the file system.  Second, many of the
120 system calls you must implement deal with the file system.  However,
121 the focus of this project is not on the file system code, so we have
122 provided a simple file system in the @file{filesys} directory.  You
123 will want to look over the @file{filesys.h} and @file{file.h}
124 interfaces to understand how to use the file system, and especially
125 its many limitations.  @strong{You should not modify the file system
126 code for this project}.  Proper use of the file system routines now
127 will make life much easier for project 4, when you improve the file
128 system implementation.  Until then, you will have to put up with the
129 following limitations:
130
131 @itemize @bullet
132 @item
133 No synchronization.  Concurrent accesses will interfere with one
134 another, so external synchronization is needed.  @xref{Synchronizing
135 File Access}, for more details.
136
137 @item
138 File size is fixed at creation time.  Because the root directory is
139 represented as a file, the number of files that may be created is also
140 limited.
141
142 @item
143 File data is allocated as a single extent, so that external
144 fragmentation can become a serious problem as a file system is used over
145 time.
146
147 @item
148 No subdirectories.
149
150 @item
151 File names are limited to 14 characters.
152
153 @item
154 A system crash mid-operation may corrupt the disk in a way
155 that cannot be repaired automatically.  No `fsck' tool is
156 provided in any case.
157 @end itemize
158
159 However one important feature is included:
160
161 @itemize @bullet
162 Unix-like semantics for filesys_remove() are implemented.
163 That is, if a file is open when it is removed, its blocks
164 are not deallocated and it may still be accessed by the
165 threads that have it open until the last one closes it.  @xref{Removing
166 an Open File}, for more information.
167 @end itemize
168
169 You need to be able to create and format simulated disks.  The
170 @command{pintos} program provides this functionality with its
171 @option{make-disk} command.  From the @file{userprog/build} directory,
172 execute @code{pintos make-disk fs.dsk 2}.  This command creates a 2 MB
173 simulated disk named @file{fs.dsk}.  (It does not actually start
174 Pintos.)  Then format the disk by passing the @option{-f} option to
175 Pintos on the kernel's command line: @code{pintos run -f}.
176
177 You'll need a way to get files in and out of the simulated file
178 system.  The @code{pintos} @option{put} and @option{get} commands are
179 designed for this.  To copy @file{@var{file}} into the Pintos file
180 system, use the command @file{pintos put @var{file}}.  To copy it to
181 the Pintos file system under the name @file{@var{newname}}, add the
182 new name to the end of the command: @file{pintos put @var{file}
183 @var{newname}}.  The commands for copying files out of a VM are
184 similar, but substitute @option{get} for @option{get}.
185
186 Incidentally, these commands work by passing special options
187 @option{-ci} and @option{-co} on the kernel's command line and copying
188 to and from a special simulated disk named @file{scratch.dsk}.  If
189 you're very curious, you can look at the @command{pintos} program as
190 well as @file{filesys/fsutil.c} to learn the implementation details,
191 but it's really not relevant for this project.
192
193 Here's a summary of how you would create and format a disk, copy the
194 @command{echo} program into the new disk, and then run @command{echo}.
195 It assumes that you've already built the tests in
196 @file{tests/userprog} and that the current directory is
197 @file{userprog/build}:
198
199 @example
200 pintos make-disk fs.dsk 2
201 pintos run -f
202 pintos put ../../tests/userprog/echo echo
203 pintos run -ex echo
204 @end example
205
206 You can delete a file from the Pintos file system using the @option{-r
207 @var{file}} kernel option, e.g.@: @code{pintos run -r @var{file}}.
208 Also, @option{-ls} lists the files in the file system and @option{-p
209 @var{file}} prints a file's contents to the display.
210
211 @node How User Programs Work
212 @section How User Programs Work
213
214 Pintos can run normal C programs.  In fact, it can run any program you
215 want, provided it's compiled into the proper file format, and uses
216 only the system calls you implement.  (For example, @func{malloc}
217 makes use of functionality that isn't provided by any of the syscalls
218 we require you to support.)  The only other limitation is that Pintos
219 can't run programs using floating point operations, since it doesn't
220 include the necessary kernel functionality to save and restore the
221 processor's floating-point unit when switching threads.  You can look
222 in @file{tests/userprog} directory for some examples.
223
224 Pintos loads ELF executables, where ELF is an executable format used
225 by Linux, Solaris, and many other Unix and Unix-like systems.
226 Therefore, you can use any compiler and linker that produce
227 80@var{x}86 ELF executables to produce programs for Pintos.  We
228 recommend using the tools we provide in the @file{tests/userprog}
229 directory.  By default, the @file{Makefile} in this directory will
230 compile the test programs we provide.  You can edit the
231 @file{Makefile} to compile your own test programs as well.
232
233 One thing you should realize immediately is that, until you copy a
234 test program to the emulated disk, Pintos will be unable to do very
235 much useful work.  You will also find that you won't be able to do
236 interesting things until you copy a variety of programs to the disk.
237 A useful technique is to create a clean reference disk and copy that
238 over whenever you trash your @file{fs.dsk} beyond a useful state,
239 which may happen occasionally while debugging.
240
241 @node Virtual Memory Layout
242 @section Virtual Memory Layout
243
244 Virtual memory in Pintos is divided into two regions: user virtual
245 memory and kernel virtual memory.  User virtual memory ranges from
246 virtual address 0 up to @code{PHYS_BASE}, which is defined in
247 @file{threads/mmu.h} and defaults to @t{0xc0000000} (3 GB).  Kernel
248 virtual memory occupies the rest of the virtual address space, from
249 @code{PHYS_BASE} up to 4 GB.
250
251 User virtual memory is per-process.  Conceptually, each process is
252 free to use the entire space of user virtual memory however it
253 chooses.  When the kernel switches from one process to another, it
254 also switches user virtual address spaces by switching the processor's
255 page directory base register (see @func{pagedir_activate in
256 @file{userprog/pagedir.c}}.  @struct{thread} contains a pointer to a
257 process's page directory.
258
259 Kernel virtual memory is global.  It is always mapped the same way,
260 regardless of what user process or kernel thread is running.  In
261 Pintos, kernel virtual memory is mapped one-to-one to physical
262 memory.  That is, virtual address @code{PHYS_ADDR} accesses physical
263 address 0, virtual address @code{PHYS_ADDR} + @t{0x1234} access
264 physical address @t{0x1234}, and so on up to the size of the machine's
265 physical memory.
266
267 User programs can only access user virtual memory.  An attempt to
268 access kernel virtual memory will cause a page fault, handled by
269 @func{page_fault} in @file{userprog/exception.c}, and the process
270 will be terminated.  Kernel threads can access both kernel virtual
271 memory and, if a user process is running, the user virtual memory of
272 the running process.  However, even in the kernel, an attempt to
273 access memory at a user virtual address that doesn't have a page
274 mapped into it will cause a page fault.
275
276 You must handle memory fragmentation gracefully, that is, a process
277 that needs @var{N} pages of memory must not require that all @var{N}
278 be contiguous.  In fact, it must not require that any of the pages be
279 contiguous.
280
281 @node Global Requirements
282 @section Global Requirements
283
284 For testing and grading purposes, we have some simple overall
285 requirements:
286
287 @itemize @bullet
288 @item
289 The kernel should print out the program's name and exit status whenever
290 a process terminates, whether termination is caused by the @code{exit}
291 system call or for another reason.
292
293 @itemize @minus
294 @item
295 The message must be formatted exactly as if it was printed with
296 @code{printf ("%s: exit(%d)\n", @dots{});} given appropriate arguments.
297
298 @item
299 The name printed should be the full name passed to
300 @func{process_execute}, except that it is acceptable to truncate it to
301 15 characters to allow for the limited space in @struct{thread}.  The
302 name printed need not include arguments.
303
304 @item
305 Do not print a message when a kernel thread that is not a process
306 terminates.
307
308 @item
309 Do not print messages about process termination for the @code{halt}
310 system call.
311
312 @item
313 No message need be printed when a process fails to load.
314 @end itemize
315
316 @item
317 Aside from this, the kernel should print out no other messages that
318 Pintos as provided doesn't already print.  You
319 may understand all those debug messages, but we won't, and it just
320 clutters our ability to see the stuff we care about.
321
322 @item
323 Additionally, while it may be useful to hard-code which process will
324 run at startup while debugging, before you submit your code you must
325 make sure that it takes the start-up process name and arguments from
326 the @samp{-ex} argument.  For example, running @code{pintos run -ex
327 "testprogram 1 2 3 4"} will spawn @samp{testprogram 1 2 3 4} as the
328 first process.
329 @end itemize
330
331 @node Problem 2-1 Argument Passing
332 @section Problem 2-1: Argument Passing
333
334 Currently, @func{process_execute} does not support passing arguments
335 to new processes.  UNIX and other operating systems do allow passing
336 command line arguments to a program, which accesses them via the argc,
337 argv arguments to main.  You must implement this functionality by
338 extending @func{process_execute} so that instead of simply taking a
339 program file name as its argument, it divides it into words at spaces.
340 The first word is the program name, the second word is the first
341 argument, and so on.  That is, @code{process_execute("grep foo bar")}
342 should run @command{grep} passing two arguments @code{foo} and
343 @file{bar}.  A few details:
344
345 @itemize
346 @item
347 Multiple spaces are considered the same as a single space, so that
348 @code{process_execute("grep foo bar")} would be equivalent to our
349 original example.
350
351 @item
352 You can impose a reasonable limit on the length of the command line
353 arguments.  For example, you could limit the arguments to those that
354 will fit in a single page (4 kB).
355
356 @item
357 You can parse the argument strings any way you like.  If you're lost,
358 look at @func{strtok_r}, prototyped in @file{lib/string.h} and
359 implemented with thorough comments in @file{lib/string.c}.  You can
360 find more about it by looking at the man page (run @code{man strtok_r}
361 at the prompt).
362
363 @item
364 @xref{80x86 Calling Convention}, for information on exactly how you
365 need to set up the stack.
366 @end itemize
367
368 @strong{This functionality is extremely important.}  Almost all our
369 test cases rely on being able to pass arguments, so if you don't get
370 this right, a lot of things will not appear to work correctly with our
371 tests.  If the tests fail, so do you.  Fortunately, this part
372 shouldn't be too hard.
373
374 @node Problem 2-2 System Calls
375 @section Problem 2-2: System Calls
376
377 Implement the system call handler in @file{userprog/syscall.c} to
378 properly deal with all the system calls described below.  Currently,
379 it ``handles'' system calls by terminating the process.  You will need
380 to decipher system call arguments and take the appropriate action for
381 each.
382
383 You are required to support the following system calls, whose syscall
384 numbers are defined in @file{lib/syscall-nr.h} and whose C functions
385 called by user programs are prototyped in @file{lib/user/syscall.h}:
386
387 @table @code
388 @item SYS_halt
389 @itemx void halt (void)
390 Stops Pintos by calling @func{power_off} (declared in
391 @file{threads/init.h}).  Note that this should be seldom used, since
392 then you lose some information about possible deadlock situations,
393 etc.
394
395 @item SYS_exit
396 @itemx void exit (int @var{status})
397 Terminates the current user program, returning @var{status} to the
398 kernel.  If the process's parent @func{join}s it, this is the status
399 that will be returned.  Conventionally, a @var{status} of 0 indicates
400 a successful exit.  Other values may be used to indicate user-defined
401 conditions (usually errors).
402
403 @item SYS_exec
404 @itemx pid_t exec (const char *@var{cmd_line})
405 Runs the executable whose name is given in @var{cmd_line}, passing any
406 given arguments, and returns the new process's program id (pid).  If
407 there is an error loading this program, may return pid -1, which
408 otherwise should not be a valid id number.
409
410 @item SYS_join
411 @itemx int join (pid_t @var{pid})
412 Joins the process @var{pid}, using the join rules from the last
413 assignment, and returns the process's exit status.  If the process was
414 terminated by the kernel (i.e.@: killed due to an exception), the exit
415 status should be -1.  If the process was not a child of the calling
416 process, the return value is undefined (but kernel operation must not
417 be disrupted).
418
419 @item SYS_create
420 @itemx bool create (const char *@var{file}, unsigned @var{initial_size})
421 Create a new file called @var{file} initially @var{initial_size} bytes
422 in size.  Returns true if successful, false otherwise.
423
424 @item SYS_remove
425 @itemx bool remove (const char *@var{file})
426 Delete the file called @var{file}.  Returns true if successful, false
427 otherwise.
428
429 @item SYS_open
430 @itemx int open (const char *@var{file})
431 Open the file called @var{file}.  Returns a nonnegative integer handle
432 called a ``file descriptor'' (fd), or -1 if the file could not be
433 opened.  All open files associated with a process should be closed
434 when the process exits or is terminated.
435
436 File descriptors numbered 0 and 1 are reserved for the console: fd 0
437 is standard input (@code{stdin}), fd 1 is standard output
438 (@code{stdout}).  These special file descriptors are valid as system
439 call arguments only as explicitly described below.
440
441 @item SYS_filesize
442 @itemx int filesize (int @var{fd})
443 Returns the size, in bytes, of the file open as @var{fd}.
444
445 @item SYS_read
446 @itemx int read (int @var{fd}, void *@var{buffer}, unsigned @var{size})
447 Read @var{size} bytes from the file open as @var{fd} into
448 @var{buffer}.  Returns the number of bytes actually read (0 at end of
449 file), or -1 if the file could not be read (due to a condition other
450 than end of file).  Fd 0 reads from the keyboard using
451 @func{kbd_getc}.
452
453 @item SYS_write
454 @itemx int write (int @var{fd}, const void *@var{buffer}, unsigned @var{size})
455 Write @var{size} bytes from @var{buffer} to the open file @var{fd}.
456 Returns the number of bytes actually written, or -1 if the file could
457 not be written.   Fd 1 writes to the console.
458
459 @item SYS_seek
460 @itemx void seek (int @var{fd}, unsigned @var{position})
461 Changes the next byte to be read or written in open file @var{fd} to
462 @var{position}, expressed in bytes from the beginning of the file.
463 (Thus, a @var{position} of 0 is the file's start.)
464
465 A seek past the current end of a file is not an error.  A later read
466 obtains 0 bytes, indicating end of file.  A later write extends the
467 file, filling any unwritten gap with zeros.  (However, in Pintos files
468 have a fixed length until project 4 is complete, so writes past end of
469 file will return an error.)  These semantics are implemented in the
470 file system and do not require any special effort in system call
471 implementation.
472
473 @item SYS_tell
474 @itemx unsigned tell (int @var{fd})
475 Returns the position of the next byte to be read or written in open
476 file @var{fd}, expressed in bytes from the beginning of the file.
477
478 @item SYS_close
479 @itemx void close (int @var{fd})
480 Close file descriptor @var{fd}.
481 @end table
482
483 The file defines other syscalls.  Ignore them for now.  You will
484 implement some of them in project 3 and the rest in project 4, so be
485 sure to design your system with extensibility in mind.
486
487 To implement syscalls, you will need to provide a way of copying data
488 from the user's virtual address space into the kernel and vice versa.
489 This can be a bit tricky: what if the user provides an invalid
490 pointer, a pointer into kernel memory, or points to a block that is
491 partially in one of those regions?  You should handle these cases by
492 terminating the user process.  You will need this code before you can
493 even obtain the system call number, because the system call number is
494 on the user's stack in the user's virtual address space.  We recommend
495 writing and testing this code before implementing any other system
496 call functionality.
497
498 @anchor{Synchronizing File Access}
499 You must make sure that system calls are properly synchronized so that
500 any number of user processes can make them at once.  In particular, it
501 is not safe to call into the filesystem code provided in the
502 @file{filesys} directory from multiple threads at once.  For now, we
503 recommend adding a single lock that controls access to the filesystem
504 code.  You should acquire this lock before calling any functions in
505 the @file{filesys} directory, and release it afterward.  Don't forget
506 that @func{process_execute} also accesses files.  @strong{For now, we
507 recommend against modifying code in the @file{filesys} directory.}
508
509 We have provided you a user-level function for each system call in
510 @file{lib/user/syscall.c}.  These provide a way for user processes to
511 invoke each system call from a C program.  Each of them calls an
512 assembly language routine in @file{lib/user/syscall-stub.S}, which in
513 turn invokes the system call interrupt and returns.
514
515 When you're done with this part, and forevermore, Pintos should be
516 bulletproof.  Nothing that a user program can do should ever cause the
517 OS to crash, halt, assert fail, or otherwise stop running.  It is
518 important to emphasize this point: our tests will try to break your
519 system calls in many, many ways.  You need to think of all the corner
520 cases and handle them.  The sole way a user program should be able to
521 cause the OS to halt is by invoking the @code{halt} system call.
522
523 If a system call is passed an invalid argument, acceptable options
524 include returning an error value (for those calls that return a
525 value), returning an undefined value, or terminating the process.
526
527 @xref{System Calls}, for more information on how syscalls work.
528
529 @node User Programs FAQ
530 @section FAQ
531
532 @enumerate 1
533 @item
534 @b{Do we need a working project 1 to implement project 2?}
535
536 You may find the code for @func{thread_join} to be useful in
537 implementing the join syscall, but besides that, you can use
538 the original code provided for project 1.
539
540 @item
541 @b{@samp{pintos put} always panics.}
542
543 Here are the most common causes:
544
545 @itemize @bullet
546 @item
547 The disk hasn't yet been formatted (with @samp{pintos run -f}).
548
549 @item
550 The file name specified is too long.  The file system limits file names
551 to 14 characters.  If you're using a command like @samp{pintos put
552 ../../tests/userprog/echo}, that overflows the limit.  Use
553 @samp{pintos put ../../tests/userprog/echo echo} to put the file under
554 the name @file{echo} instead.
555
556 @item
557 The file system is full.
558
559 @item
560 The file system already contains 10 files.  (There's a 10-file limit for
561 the base Pintos file system.)
562
563 @item
564 The file system is so fragmented that there's not enough contiguous
565 space for your file.
566 @end itemize
567
568 @item
569 @b{All my user programs die with page faults.}
570
571 This will generally happen if you haven't implemented problem 2-1
572 yet.  The reason is that the basic C library for user programs tries
573 to read @var{argc} and @var{argv} off the stack.  Because the stack
574 isn't properly set up yet, this causes a page fault.
575
576 @item
577 @b{I implemented 2-1 and now all my user programs die with
578 @samp{system call!}.}
579
580 Every reasonable program tries to make at least one system call
581 (@func{exit}) and most programs make more than that.  Notably,
582 @func{printf} invokes the @code{write} system call.  The default
583 system call handler just prints @samp{system call!} and terminates the
584 program.  You'll have to implement 2-2 before you see anything more
585 interesting.  Until then, you can use @func{hex_dump} to convince
586 yourself that 2-1 is implemented correctly (@pxref{Argument Passing to
587 main}).
588
589 @item
590 @b{Is there a way I can disassemble user programs?}
591
592 The @command{i386-elf-objdump} utility can disassemble entire user
593 programs or object files.  Invoke it as @code{i386-elf-objdump -d
594 @var{file}}.  You can also use @code{i386-elf-gdb}'s
595 @command{disassemble} command to disassemble individual functions in
596 object files compiled with debug information.
597
598 @item
599 @b{Why can't I use many C include files in my Pintos programs?}
600
601 The C library we provide is very limited.  It does not include many of
602 the features that are expected of a real operating system's C library.
603 The C library must be built specifically for the operating system (and
604 architecture), since it must make system calls for I/O and memory
605 allocation.  (Not all functions do, of course, but usually the library
606 is compiled as a unit.)
607
608 @item
609 @b{Can I use lib@var{foo} in my Pintos programs?}
610
611 The chances are good that lib@var{foo} uses parts of the C library
612 that Pintos doesn't implement.  It will probably take at least some
613 porting effort to make it work under Pintos.  Notably, the Pintos
614 userland C library does not have a @func{malloc} implementation.
615
616 @item
617 @b{How do I compile new user programs?}
618
619 You need to modify @file{tests/Makefile}.
620
621 @item
622 @b{What's the difference between @code{tid_t} and @code{pid_t}?}
623
624 A @code{tid_t} identifies a kernel thread, which may have a user
625 process running in it (if created with @func{process_execute}) or not
626 (if created with @func{thread_create}).  It is a data type used only
627 in the kernel.
628
629 A @code{pid_t} identifies a user process.  It is used by user
630 processes and the kernel in the @code{exec} and @code{join} system
631 calls.
632
633 You can choose whatever suitable types you like for @code{tid_t} and
634 @code{pid_t}.  By default, they're both @code{int}.  You can make them
635 a one-to-one mapping, so that the same values in both identify the
636 same process, or you can use a more complex mapping.  It's up to you.
637
638 @item
639 @b{I can't seem to figure out how to read from and write to user
640 memory. What should I do?}
641
642 The kernel must treat user memory delicately.  As part of a system
643 call, the user can pass to the kernel a null pointer, a pointer to
644 unmapped virtual memory, or a pointer to kernel virtual address space
645 (above @code{PHYS_BASE}).  All of these types of invalid pointers must
646 be rejected without harm to the kernel or other running processes.  At
647 your option, the kernel may handle invalid pointers by terminating the
648 process or returning from the system call with an error.
649
650 There are at least two reasonable ways to do this correctly.  The
651 first method is to ``verify then access'':@footnote{These terms are
652 made up for this document.  They are not standard terminology.} verify
653 the validity of a user-provided pointer, then dereference it.  If you
654 choose this route, you'll want to look at the functions in
655 @file{userprog/pagedir.c} and in @file{threads/mmu.h}.  This is the
656 simplest way to handle user memory access.
657
658 The second method is to ``assume and react'': directly dereference
659 user pointers, after checking that they point below @code{PHYS_BASE}.
660 Invalid user pointers will then cause a ``page fault'' that you can
661 handle by modifying the code for @func{page_fault} in
662 @file{userprog/exception.cc}.  This technique is normally faster
663 because it takes advantage of the processor's MMU, so it tends to be
664 used in real kernels (including Linux).
665
666 In either case, you need to make sure not to ``leak'' resources.  For
667 example, suppose that your system call has acquired a lock or
668 allocated a page of memory.  If you encounter an invalid user pointer
669 afterward, you must still be sure to release the lock or free the page
670 of memory.  If you choose to ``verify then access,'' then this should
671 be straightforward, but for ``assume and react'' it's more difficult,
672 because there's no way to return an error code from a memory access.
673 Therefore, for those who want to try the latter technique, we'll
674 provide a little bit of helpful code:
675
676 @verbatim
677 /* Tries to copy a byte from user address USRC to kernel address DST.
678    Returns true if successful, false if USRC is invalid. */
679 static inline bool get_user (uint8_t *dst, const uint8_t *usrc) {
680   int eax;
681   asm ("movl $1f, %%eax; movb %2, %%al; movb %%al, %0; 1:"
682        : "=m" (*dst), "=&a" (eax) : "m" (*usrc));
683   return eax != 0;
684 }
685
686 /* Tries write BYTE to user address UDST.
687    Returns true if successful, false if UDST is invalid. */
688 static inline bool put_user (uint8_t *udst, uint8_t byte) {
689   int eax;
690   asm ("movl $1f, %%eax; movb %b2, %0; 1:"
691        : "=m" (*udst), "=&a" (eax) : "r" (byte));
692   return eax != 0;
693 }
694 @end verbatim
695
696 Each of these functions assumes that the user address has already been
697 verified to be below @code{PHYS_BASE}.  They also assume that you've
698 modified @func{page_fault} so that a page fault in the kernel causes
699 @code{eax} to be set to 0 and its former value copied into @code{eip}.
700
701 @item
702 @b{I'm also confused about reading from and writing to the stack. Can
703 you help?}
704
705 @itemize @bullet
706 @item
707 Only non-@samp{char} values will have issues when writing them to
708 memory.  If a digit is in a string, it is considered a character.
709 However, the value of @code{argc} would be a non-char.
710
711 @item
712 You will need to write characters and non-characters into main memory.
713
714 @item
715 When you add items to the stack, you will be decrementing the stack
716 pointer.  You'll need to decrement the stack pointer before writing to
717 the location.
718
719 @item
720 Each character is 1 byte.
721 @end itemize
722
723 @item
724 @b{Why doesn't keyboard input work with @samp{pintos -v}?}
725
726 Serial input isn't implemented.  Don't use @samp{pintos -v} if you
727 want to use the shell or otherwise provide keyboard input.
728 @end enumerate
729
730 @menu
731 * Problem 2-1 Argument Passing FAQ::  
732 * Problem 2-2 System Calls FAQ::  
733 @end menu
734
735 @node Problem 2-1 Argument Passing FAQ
736 @subsection Problem 2-1: Argument Passing FAQ
737
738 @enumerate 1
739 @item
740 @b{Why is the top of the stack at @t{0xc0000000}?  Isn't that off the
741 top of user virtual memory?  Shouldn't it be @t{0xbfffffff}?}
742
743 When the processor pushes data on the stack, it decrements the stack
744 pointer first.  Thus, the first (4-byte) value pushed on the stack
745 will be at address @t{0xbffffffc}.
746
747 Also, the stack should always be aligned to a 4-byte boundary, but
748 @t{0xbfffffff} isn't.
749
750 @item
751 @b{Is @code{PHYS_BASE} fixed?}
752
753 No.  You should be able to support @code{PHYS_BASE} values that are
754 any multiple of @t{0x10000000} from @t{0x80000000} to @t{0xc0000000},
755 simply via recompilation.
756 @end enumerate
757
758 @node Problem 2-2 System Calls FAQ
759 @subsection Problem 2-2: System Calls FAQ
760
761 @enumerate 1
762 @item
763 @b{Can I just cast a pointer to a @struct{file} object to get a
764 unique file descriptor?  Can I just cast a @code{struct thread *} to a
765 @code{pid_t}?  It's so much simpler that way!}
766
767 This is a design decision you will have to make for yourself.
768 However, note that most operating systems do distinguish between file
769 descriptors (or pids) and the addresses of their kernel data
770 structures.  You might want to give some thought as to why they do so
771 before committing yourself.
772
773 @item
774 @b{Can I set a maximum number of open files per process?}
775
776 From a design standpoint, it would be better not to set an arbitrary
777 maximum.  That said, if your design calls for it, you may impose a
778 limit of 128 open files per process (as the Solaris machines here do).
779
780 @item
781 @anchor{Removing an Open File}
782 @b{What happens when two (or more) processes have a file open and one of
783 them removes it?}
784
785 You should copy the standard Unix semantics for files.  That is, when
786 a file is removed an process which has a file descriptor for that file
787 may continue to do operations on that descriptor.  This means that
788 they can read and write from the file.  The file will not have a name,
789 and no other processes will be able to open it, but it will continue
790 to exist until all file descriptors referring to the file are closed
791 or the machine shuts down.
792
793 @item
794 @b{I've discovered that some of my user programs need more than one 4
795 kB page of stack space.  What should I do?}
796
797 You may modify the stack setup code to allocate more than one page of
798 stack space for each process.
799 @end enumerate
800
801 @node 80x86 Calling Convention
802 @section 80@var{x}86 Calling Convention
803
804 What follows is a quick and dirty discussion of the 80@var{x}86
805 calling convention.  Some of the basics should be familiar from CS
806 107, and if you've already taken CS 143 or EE 182, then you should
807 have seen even more of it.  I've omitted some of the complexity, since
808 this isn't a class in how function calls work, so don't expect this to
809 be exactly correct in full, gory detail.  If you do want all the
810 details, you can refer to @bibref{SysV-i386}.
811
812 Whenever a function call happens, you need to put the arguments on the
813 call stack for that function, before the code for that function
814 executes, so that the callee has access to those values.  The caller
815 has to be responsible for this (be sure you understand why).
816 Therefore, when you compile a program, the assembly code emitted will
817 have in it, before every function call, a bunch of instructions that
818 prepares for the call in whatever manner is conventional for the
819 machine you're working on.  This includes saving registers as needed,
820 putting stuff on the stack, saving the location to return to somewhere
821 (so that when the callee finishes, it knows where the caller code is),
822 and some other bookkeeping stuff.  Then you do the jump to the
823 callee's code, and it goes along, assuming that the stack and
824 registers are prepared in the appropriate manner.  When the callee is
825 done, it looks at the return location as saved earlier, and jumps back
826 to that location.  The caller may then have to do some cleanup:
827 clearing arguments and the return value off the stack, restoring
828 registers that were saved before the call, and so on.
829
830 If you think about it, some of these things should remind you of
831 context switching.
832
833 As an aside, in general, function calls are not cheap.  You have to do
834 a bunch of memory writes to prepare the stack, you need to save and
835 restore registers before and after a function call, you need to write
836 the stack pointer, you have a couple of jumps which probably wrecks
837 some of your caches.  This is why inlining code can be much faster.
838
839 @menu
840 * Argument Passing to main::    
841 @end menu
842
843 @node Argument Passing to main
844 @subsection Argument Passing to @code{main()}
845
846 In @func{main}'s case, there is no caller to prepare the stack
847 before it runs.  Therefore, the kernel needs to do it.  Fortunately,
848 since there's no caller, there are no registers to save, no return
849 address to deal with, etc.  The only difficult detail to take care of,
850 after loading the code, is putting the arguments to @func{main} on
851 the stack.
852
853 (The above is a small lie: most compilers will emit code where main
854 isn't strictly speaking the first function.  This isn't an important
855 detail.  If you want to look into it more, try disassembling a program
856 and looking around a bit.  However, you can just act as if
857 @func{main} is the very first function called.)
858
859 Pintos is written for the 80@var{x}86 architecture.  Therefore, we
860 need to adhere to the 80@var{x}86 calling convention.  Basically, you
861 put all the arguments on the stack and move the stack pointer
862 appropriately.  You also need to insert space for the function's
863 ``return address'': even though the initial function doesn't really
864 have a caller, its stack frame must have the same layout as any other
865 function's.  The program will assume that the stack has been laid out
866 this way when it begins running.
867
868 So, what are the arguments to @func{main}? Just two: an @samp{int}
869 (@code{argc}) and a @samp{char **} (@code{argv}).  @code{argv} is an
870 array of strings, and @code{argc} is the number of strings in that
871 array.  However, the hard part isn't these two things.  The hard part
872 is getting all the individual strings in the right place.  As we go
873 through the procedure, let us consider the following example command:
874 @samp{/bin/ls -l foo bar}.
875
876 The first thing to do is to break the command line into individual
877 strings: @samp{/bin/ls}, @samp{-l}, @samp{foo}, and @samp{bar}.  These
878 constitute the arguments of the command, including the program name
879 itself (which belongs in @code{argv[0]}).
880
881 These individual, null-terminated strings should be placed on the user
882 stack.  They may be placed in any order, as you'll see shortly,
883 without affecting how main works, but for simplicity let's assume they
884 are in reverse order (keeping in mind that the stack grows downward on
885 an 80@var{x}86 machine).  As we copy the strings onto the stack, we
886 record their (virtual) stack addresses.  These addresses will become
887 important when we write the argument vector (two paragraphs down).
888
889 After we push all of the strings onto the stack, we adjust the stack
890 pointer so that it is word-aligned: that is, we move it down to the
891 next 4-byte boundary.  This is required because we will next be
892 placing several words of data on the stack, and they must be aligned
893 to be read correctly.  In our example, as you'll see below,
894 the strings start at address @t{0xffed}.  One word below that would be
895 at @t{0xffe9}, so we could in theory put the next word on the stack
896 there.  However, since the stack pointer should always be
897 word-aligned, we instead leave the stack pointer at @t{0xffe8}.
898
899 Once we align the stack pointer, we then push the elements of the
900 argument vector, that is, a null pointer, then the addresses of the
901 strings @samp{/bin/ls}, @samp{-l}, @samp{foo}, and @samp{bar}) onto
902 the stack.  This must be done in reverse order, such that
903 @code{argv[0]} is at the lowest virtual address, again because the
904 stack is growing downward.  (The null pointer pushed first is because
905 @code{argv[argc]} must be a null pointer.)  This is because we are now
906 writing the actual array of strings; if we write them in the wrong
907 order, then the strings will be in the wrong order in the array.  This
908 is also why, strictly speaking, it doesn't matter what order the
909 strings themselves are placed on the stack: as long as the pointers
910 are in the right order, the strings themselves can really be anywhere.
911 After we finish, we note the stack address of the first element of the
912 argument vector, which is @code{argv} itself.
913
914 Then we push @code{argv} (that is, the address of the first element of
915 the @code{argv} array) onto the stack, along with the length of the
916 argument vector (@code{argc}, 4 in this example).  This must also be
917 done in this order, since @code{argc} is the first argument to
918 @func{main} and therefore is on first (smaller address) on the
919 stack.  Finally, we push a fake ``return address'' and leave the stack
920 pointer to point to its location.
921
922 All this may sound very confusing, so here's a picture which will
923 hopefully clarify what's going on. This represents the state of the
924 stack and the relevant registers right before the beginning of the
925 user program (assuming for this example that the stack bottom is
926 @t{0xc0000000}):
927
928 @html
929 <CENTER>
930 @end html
931 @multitable {@t{0xbfffffff}} {``return address''} {@t{/bin/ls\0}}
932 @item Address @tab Name @tab Data
933 @item @t{0xbffffffc} @tab @code{*argv[3]} @tab @samp{bar\0}
934 @item @t{0xbffffff8} @tab @code{*argv[2]} @tab @samp{foo\0}
935 @item @t{0xbffffff5} @tab @code{*argv[1]} @tab @samp{-l\0}
936 @item @t{0xbfffffed} @tab @code{*argv[0]} @tab @samp{/bin/ls\0}
937 @item @t{0xbfffffec} @tab word-align @tab @samp{\0}
938 @item @t{0xbfffffe8} @tab @code{argv[4]} @tab @t{0}
939 @item @t{0xbfffffe4} @tab @code{argv[3]} @tab @t{0xbffffffc}
940 @item @t{0xbfffffe0} @tab @code{argv[2]} @tab @t{0xbffffff8}
941 @item @t{0xbfffffdc} @tab @code{argv[1]} @tab @t{0xbffffff5}
942 @item @t{0xbfffffd8} @tab @code{argv[0]} @tab @t{0xbfffffed}
943 @item @t{0xbfffffd4} @tab @code{argv} @tab @t{0xbfffffd8}
944 @item @t{0xbfffffd0} @tab @code{argc} @tab 4
945 @item @t{0xbfffffcc} @tab ``return address'' @tab 0
946 @end multitable
947 @html
948 </CENTER>
949 @end html
950
951 In this example, the stack pointer would be initialized to
952 @t{0xbfffffcc}.
953
954 As shown above, your code should start the stack at the very top of
955 the user virtual address space, in the page just below virtual address
956 @code{PHYS_BASE} (defined in @file{threads/mmu.h}).
957
958 You may find the non-standard @func{hex_dump} function, declared in
959 @file{<stdio.h>}, useful for debugging your argument passing code.
960 Here's what it would show in the above example, given that
961 @code{PHYS_BASE} is @t{0xc0000000}:
962
963 @verbatim
964 bfffffc0                                      00 00 00 00 |            ....|
965 bfffffd0  04 00 00 00 d8 ff ff bf-ed ff ff bf f5 ff ff bf |................|
966 bfffffe0  f8 ff ff bf fc ff ff bf-00 00 00 00 00 2f 62 69 |............./bi|
967 bffffff0  6e 2f 6c 73 00 2d 6c 00-66 6f 6f 00 62 61 72 00 |n/ls.-l.foo.bar.|
968 @end verbatim
969
970 @node System Calls
971 @section System Calls
972
973 We have already been dealing with one way that the operating system
974 can regain control from a user program: interrupts from timers and I/O
975 devices.  These are ``external'' interrupts, because they are caused
976 by entities outside the CPU.
977
978 The operating system is also called to deal with software exceptions,
979 which are events generated in response to the code.  These can be
980 errors such as a page fault or division by zero.  However, exceptions
981 are also the means by which a user program can request services
982 (``system calls'') from the operating system.
983
984 In the 80@var{x}86 architecture, the @samp{int} instruction is the
985 most commonly used means for invoking system calls.  This instruction
986 is handled in the same way as other software exceptions.  In Pintos,
987 user programs invoke @samp{int $0x30} to make a system call.  The
988 system call number and any additional arguments are expected to be
989 pushed on the stack in the normal fashion before invoking the
990 interrupt.
991
992 The normal calling convention pushes function arguments on the stack
993 from right to left and the stack grows downward.  Thus, when the
994 system call handler @func{syscall_handler} gets control, the system
995 call number is in the 32-bit word at the caller's stack pointer, the
996 first argument is in the 32-bit word at the next higher address, and
997 so on.  The caller's stack pointer is accessible to
998 @func{syscall_handler} as the @samp{esp} member of the @code{struct
999 intr_frame} passed to it.
1000
1001 Here's an example stack frame for calling a system call numbered 10
1002 with three arguments passed as 1, 2, and 3.  The stack addresses are
1003 arbitrary:
1004
1005 @html
1006 <CENTER>
1007 @end html
1008 @multitable {@t{0xbffffe7c}} {Value}
1009 @item Address @tab Value
1010 @item @t{0xbffffe7c} @tab 3
1011 @item @t{0xbffffe78} @tab 2
1012 @item @t{0xbffffe74} @tab 1
1013 @item @t{0xbffffe70} @tab 10
1014 @end multitable
1015 @html
1016 </CENTER>
1017 @end html
1018
1019 In this example, the caller's stack pointer would be at
1020 @t{0xbffffe70}.
1021
1022 The 80@var{x}86 convention for function return values is to place them
1023 in the @samp{EAX} register.  System calls that return a value can do
1024 so by modifying the @samp{eax} member of @struct{intr_frame}.
1025
1026 You should try to avoid writing large amounts of repetitive code for
1027 implementing system calls.  Each system call argument, whether an
1028 integer or a pointer, takes up 4 bytes on the stack.  You should be able
1029 to take advantage of this to avoid writing much near-identical code for
1030 retrieving each system call's arguments from the stack.