Update docs.
[pintos-anon] / doc / vm.texi
1 @node Project 3--Virtual Memory, Project 4--File Systems, Project 2--User Programs, Top
2 @chapter Project 3: Virtual Memory
3
4 By now you should be familiar with the inner workings of Pintos.
5 You've already come a long way: your OS can properly handle multiple
6 threads of execution with proper synchronization, and can load
7 multiple user programs at once.  However, when loading user programs,
8 your OS is limited by how much main memory the simulated machine has.
9 In this assignment, you will remove that limitation.
10
11 You will be using the @file{vm} directory for this project.  The
12 @file{vm} directory contains only the @file{Makefile}s.  The only
13 change from @file{userprog} is that this new @file{Makefile} turns on
14 the setting @option{-DVM}.  All code you write will either be newly
15 generated files (e.g.@: if you choose to implement your paging code in
16 their own source files), or will be modifications to pre-existing code
17 (e.g.@: you will change the behavior of @file{process.c}
18 significantly).
19
20 There are only a couple of source files you will probably be
21 encountering for the first time:
22
23 @table @file
24 @item devices/disk.h
25 @itemx devices/disk.c
26 Provides access to the physical disk, abstracting away the rather
27 awful IDE interface.
28 @end table
29
30 You will be building this assignment on the last one.  It will benefit
31 you to get your project 2 in good working order before this assignment
32 so those bugs don't keep haunting you.
33
34 All the test programs from the previous project should also work with
35 this project.  You should also write programs to test the new features
36 introduced in this project.
37
38 Your submission should define @code{THREAD_JOIN_IMPLEMENTED} in
39 @file{constants.h} (@pxref{Conditional Compilation}).
40
41 @menu
42 * VM Design::                   
43 * Page Faults::                 
44 * Disk as Backing Store::       
45 * Memory Mapped Files::         
46 * Stack::                       
47 * Problem 3-1 Page Table Management::  
48 * Problem 3-2 Paging To and From Disk::  
49 * Problem 3-3 Memory Mapped Files::  
50 * Virtual Memory FAQ::          
51 @end menu
52
53 @node VM Design
54 @section A Word about Design
55
56 It is important for you to note that in addition to getting virtual
57 memory working, this assignment is also meant to be an open-ended
58 design problem.  We will expect you to come up with a design that
59 makes sense.  You will have the freedom to choose how to handle page
60 faults, how to organize the swap disk, how to implement paging, etc.
61 In each case, we will expect you to provide a defensible justification
62 in your design documentation as to why your choices are reasonable.
63 You should evaluate your design on all the available criteria: speed
64 of handling a page fault, space overhead in memory, minimizing the
65 number of page faults, simplicity, etc.
66
67 In keeping with this, you will find that we are going to say as little
68 as possible about how to do things.  Instead we will focus on what end
69 functionality we require your OS to support.
70
71 @node Page Faults
72 @section Page Faults
73
74 For the last assignment, whenever a context switch occurred, the new
75 process would install its own page table into the machine.  The page
76 table contained all the virtual-to-physical translations for the
77 process.  Whenever the processor needed to look up a translation, it
78 consulted the page table.  As long as the process only accessed
79 memory that it didn't own, all was well.  If the process accessed
80 memory it didn't own, it ``page faulted'' and @code{page_fault()}
81 terminated the process.
82
83 When we implement virtual memory, the rules have to change.  A page
84 fault is no longer necessarily an error, since it might only indicate
85 that the page must be brought in from a disk file or from swap.  You
86 will have to implement a more sophisticated page fault handler to
87 handle these cases.
88
89 On the 80@var{x}86, the page table format is fixed by hardware.  We
90 have provided code for managing page tables for you to use in
91 @file{userprog/pagedir.c}.  The functions in there should provide an
92 abstract interface to all the page table functionality that you need
93 to complete the project.  However, you may still find it worthwhile to
94 understand a little about the hardware page table format, so we'll go
95 into a little of detail about that in this section.
96
97 The top-level paging data structure is a 4 kB page called the ``page
98 directory'' (PD) arranged as an array of 1,024 32-bit page directory
99 entries (PDEs), each of which represents 4 MB of virtual memory.  Each
100 PDE may point to the physical address of another 4 kB page called a
101 ``page table'' (PT) arranged in the same fashion as an array of 1,024
102 32-bit page table entries (PTEs), each of which translates a single 4
103 kB virtual page into physical memory.
104
105 Thus, translation of a virtual address into a physical address follows
106 the three-step process illustrated in the diagram
107 below:@footnote{Actually, virtual to physical translation on the
108 80@var{x}86 architecture happens via an intermediate ``linear
109 address,'' but Pintos (and most other 80@var{x}86 OSes) set up the CPU
110 so that linear and virtual addresses are one and the same, so that you
111 can effectively ignore this CPU feature.}
112
113 @enumerate 1
114 @item
115 The top 10 bits of the virtual address (bits 22:32) are used to index
116 into the page directory.  If the PDE is marked ``present,'' the
117 physical address of a page table is read from the PDE thus obtained.
118 If the PDE is marked ``not present'' then a page fault occurs.
119
120 @item
121 The next 10 bits of the virtual address (bits 12:22) are used to index
122 into the page table.  If the PTE is marked ``present,'' the physical
123 address of a data page is read from the PTE thus obtained.  If the PTE
124 is marked ``not present'' then a page fault occurs.
125
126
127 @item
128 The bottom 12 bits of the virtual address (bits 0:12) are added to the
129 data page's physical base address, producing the final physical
130 address.
131 @end enumerate
132
133 @example
134 32                    22                     12                      0
135 +--------------------------------------------------------------------+
136 | Page Directory Index |   Page Table Index   |    Page Offset       |
137 +--------------------------------------------------------------------+
138              |                    |                     |
139      _______/             _______/                _____/
140     /                    /                       /
141    /    Page Directory  /      Page Table       /    Data Page
142   /     .____________. /     .____________.    /   .____________.
143   |1,023|____________| |1,023|____________|    |   |____________|
144   |1,022|____________| |1,022|____________|    |   |____________|
145   |1,021|____________| |1,021|____________|    \__\|____________|
146   |1,020|____________| |1,020|____________|       /|____________|
147   |     |            | |     |            |        |            |
148   |     |            | \____\|            |_       |            |
149   |     |      .     |      /|      .     | \      |      .     |
150   \____\|      .     |_      |      .     |  |     |      .     |
151        /|      .     | \     |      .     |  |     |      .     |
152         |      .     |  |    |      .     |  |     |      .     |
153         |            |  |    |            |  |     |            |
154         |____________|  |    |____________|  |     |____________|
155        4|____________|  |   4|____________|  |     |____________|
156        3|____________|  |   3|____________|  |     |____________|
157        2|____________|  |   2|____________|  |     |____________|
158        1|____________|  |   1|____________|  |     |____________|
159        0|____________|  \__\0|____________|  \____\|____________|
160                            /                      /
161 @end example
162
163 Header @file{threads/mmu.h} has useful functions for various
164 operations on virtual addresses.  You should look over the header
165 yourself, but its most important functions include these:
166
167 @table @code
168 @item pd_no(@var{va})
169 Returns the page directory index in virtual address @var{va}.
170
171 @item pt_no(@var{va})
172 Returns the page table index in virtual address @var{va}.
173
174 @item pg_ofs(@var{va})
175 Returns the page offset in virtual address @var{va}.
176
177 @item pg_round_down(@var{va})
178 Returns @var{va} rounded down to the nearest page boundary, that is,
179 @var{va} but with its page offset set to 0.
180
181 @item pg_round_up(@var{va})
182 Returns @var{va} rounded up to the nearest page boundary.
183 @end table
184
185 @node Disk as Backing Store
186 @section Disk as Backing Store
187
188 In VM systems, since memory is less plentiful than disk, you will
189 effectively use memory as a cache for disk.  Looking at it from
190 another angle, you will use disk as a backing store for memory.  This
191 provides the abstraction of an (almost) unlimited virtual memory size.
192 Part of your task in this project is to do this, with the additional
193 constraint that your performance should be close to that provided by
194 physical memory.  You will use the page tables' ``dirty'' bits to
195 denote whether pages need to be written back to disk when they're
196 evicted from main memory and the ``accessed'' bit for page replacement
197 algorithms.  Whenever the hardware writes memory, it sets the dirty
198 bit, and if it reads or writes to the page, it sets the accessed bit.
199
200 As with any caching system, performance depends on the policy used to
201 decide which things are kept in memory and which are only stored on
202 disk.  On a page fault, the kernel must decide which page to replace.
203 Ideally, it will throw out a page that will not be referenced for a
204 long time, keeping in memory those pages that are soon to be
205 referenced.  Another consideration is that if the replaced page has
206 been modified, the page must be first saved to disk before the needed
207 page can be brought in.  Many virtual memory systems avoid this extra
208 overhead by writing modified pages to disk in advance, so that later
209 page faults can be completed more quickly.
210
211 @node Memory Mapped Files
212 @section Memory Mapped Files
213
214 The traditional way to access the file system is via @code{read} and
215 @code{write} system calls, but that requires an extra level of copying
216 between the kernel and the user level.  A secondary interface is
217 simply to ``map'' the file into the virtual address space.  The
218 program can then use load and store instructions directly on the file
219 data.  (An alternative way of viewing the file system is as ``durable
220 memory.''  Files just store data structures.  If you access data
221 structures in memory using load and store instructions, why not access
222 data structures in files the same way?)
223
224 Memory mapped files are typically implemented using system calls.  One
225 system call maps the file to a particular part of the address space.
226 For example, one might map the file @file{foo}, which is 1000 bytes
227 long, starting at address 5000.  Assuming that nothing else is already
228 at virtual addresses 5000@dots{}6000, any memory accesses to these
229 locations will access the corresponding bytes of @file{foo}.
230
231 A consequence of memory mapped files is that address spaces are
232 sparsely populated with lots of segments, one for each memory mapped
233 file (plus one each for code, data, and stack).  You will implement
234 memory mapped files for problem 3 of this assignment, but you should
235 design your solutions to problems 1 and 2 to account for this.
236
237 @node Stack
238 @section Stack
239
240 In project 2, the stack was a single page at the top of the user
241 virtual address space.  The stack's location does not change in this
242 project, but your kernel should allocate additional pages to the stack
243 on demand.  That is, if the stack grows past its current bottom, the
244 system should allocate additional pages for the stack as necessary
245 (unless those pages are unavailable because they are in use by another
246 segment).
247
248 @node Problem 3-1 Page Table Management
249 @section Problem 3-1: Page Table Management
250
251 Implement page directory and page table management to support virtual
252 memory.  You will need data structures to accomplish the following
253 tasks:
254
255 @itemize @bullet
256 @item
257 Some way of translating in software from virtual page frames to
258 physical page frames.  Consider using a hash table (@pxref{Hash
259 Table}).
260
261 @item
262 Some way of translating from physical page frames back to virtual
263 page frames, so that when you replace a page, you can invalidate
264 its translation(s).
265
266 @item
267 Some way of finding a page on disk if it is not in memory.  You won't
268 need this data structure until part 2, but planning ahead is a good
269 idea.
270 @end itemize
271
272 The page fault handler, @code{page_fault()} in
273 @file{threads/exception.c}, needs to do roughly the following:
274
275 @enumerate 1
276 @item
277 Determine the location of the physical page backing the virtual
278 address that faulted.  It might be in the file system, in swap,
279 already be in physical memory and just not set up in the page table,
280 or it might be an invalid virtual address.
281
282 If the virtual address is invalid, that is, if there's no physical
283 page backing it, or if the virtual address is above @code{PHYS_BASE},
284 meaning that it belongs to the kernel instead of the user, then the
285 process's memory access must be disallowed.  You should terminate the
286 process at this point, being sure to free all of its resources.
287
288 @item
289 If the physical page is not in physical memory, bring it into memory.
290 If necessary to make room, first evict some other page from memory.
291 (When you do that you need to first remove references to the page from
292 any page table that refers to it.)
293
294 @item
295 Point the page table entry for the faulting virtual address to the
296 physical page.  You can use the functions in @file{userprog/pagedir.c}.
297 @end enumerate
298
299 You'll need to modify the ELF loader in @file{userprog/process.c} to
300 do page table management according to your new design.  As supplied,
301 it reads all the process's pages from disk and initializes the page
302 tables for them at the same time.  For testing purposes, you'll
303 probably want to leave the code that reads the pages from disk, but
304 use your new page table management code to construct the page tables
305 only as page faults occur for them.
306
307 There are many possible ways to implement virtual memory.  The above
308 is simply an outline of our suggested implementation.
309
310 @node Problem 3-2 Paging To and From Disk
311 @section Problem 3-2: Paging To and From Disk
312
313 Implement paging to and from files and the swap disk.  You may use the
314 disk on interface @code{hd1:1} as the swap disk, using the disk
315 interface prototyped in @code{devices/disk.h}.
316
317 You will need routines to move a page from memory to disk and from
318 disk to memory, where ``disk'' is either a file or the swap disk.  If
319 you do everything correctly, your VM should still work when you
320 implement your own file system for the next assignment.
321
322 You will need a way to track pages which are used by a process but
323 which are not in physical memory, to fully handle page faults.  Pages
324 that you write to swap should not be constrained to be in sequential
325 order.  You will also need a way to track all of the physical memory
326 pages, in order to find an unused one when needed, or to evict a page
327 when memory is needed but no empty pages are available.  The data
328 structures that you designed in part 1 should do most of the work for
329 you.
330
331 You will need a page replacement algorithm.  The hardware sets the
332 accessed and dirty bits when it accesses memory.  You can gain access
333 this information using the functions prototyped in
334 @file{userprog/pagedir.h}.  You should be able to take advantage of
335 this information to implement some algorithm which attempts to achieve
336 LRU-type behavior.  We expect that your algorithm perform at least as
337 well as a reasonable implementation of the second-chance (clock)
338 algorithm.  You will need to show in your test cases the value of your
339 page replacement algorithm by demonstrating for some workload that it
340 pages less frequently using your algorithm than using some inferior
341 page replacement policy.  The canonical example of a poor page
342 replacement policy is random replacement.
343
344 Since you will already be paging from disk, you should implement a
345 ``lazy'' loading scheme for new processes.  When a process is created,
346 it will not run immediately.  Therefore, it doesn't make sense to load
347 all its code, data, and stack into memory when the process is created,
348 since it might incur additional disk accesses to do so (if it gets
349 paged out before it runs).  When loading a new process, you should
350 leave most pages on disk, and bring them in as demanded when the
351 program begins running.  Your VM system should also use the executable
352 file itself as backing store for read-only segments, since these
353 segments won't change.
354
355 There are a few special cases.  Look at the loop in
356 @code{load_segment()} in @file{userprog/process.c}.  Each time
357 around the loop, @code{read_bytes} represents the number of bytes to
358 read from the executable file and @code{zero_bytes} represents the number
359 of bytes to initialize to zero following the bytes read.  The two
360 always sum to @code{PGSIZE}.  The page handling depends on these
361 variables' values:
362
363 @itemize @bullet
364 @item
365 If @code{read_bytes} equals @code{PGSIZE}, the page should be demand
366 paged from disk on its first access.
367
368 @item 
369 If @code{zero_bytes} equals @code{PGSIZE}, the page does not need to
370 be read from disk at all because it is all zeroes.  You should handle
371 such pages by creating a new page consisting of all zeroes at the
372 first page fault.
373
374 @item
375 If neither @code{read_bytes} nor @code{zero_bytes} equals
376 @code{PGSIZE}, then part of the page is to be read from disk and the
377 remainder zeroed.  This is a special case.  You are allowed to handle
378 it by reading the partial page from disk at executable load time and
379 zeroing the rest of the page.  This is the only case in which we will
380 allow you to load a page in a non-``lazy'' fashion.  Many real OSes
381 such as Linux do not load partial pages lazily.
382 @end itemize
383
384 Incidentally, if you have trouble handling the third case above, you
385 can eliminate it temporarily by linking the test programs with a
386 special ``linker script.''  Read @file{tests/userprog/Makefile} for
387 details.  We will not test your submission with this special linker
388 script, so the code you turn in must properly handle all cases.
389
390 For extra credit, you may implement sharing: when multiple processes
391 are created that use the same executable file, share read-only pages
392 among those processes instead of creating separate copies of read-only
393 segments for each process.  If you carefully designed your data
394 structures in part 1, sharing of read-only pages should not make this
395 part significantly harder.
396
397 @node Problem 3-3 Memory Mapped Files
398 @section Problem 3-3: Memory Mapped Files
399
400 Implement memory mapped files.
401
402 You will need to implement the following system calls:
403
404 @table @code
405 @item SYS_mmap
406 @itemx bool mmap (int @var{fd}, void *@var{addr}, unsigned @var{length})
407
408 Maps the file open as @var{fd} into the process's address space
409 starting at @var{addr} for @var{length} bytes.  Returns true if
410 successful, false on failure.  
411
412 @item SYS_munmap
413 @itemx bool munmap (void *addr, unsigned length)
414
415 Unmaps the segment specified by id.  This cannot be used to unmap
416 segments mapped by the executable loader.  Returns 0 on success, -1 on
417 failure.  When a file is unmapped, all outstanding changes are written
418 to the file, and the segment's pages are removed from the process's
419 list of used virtual pages.
420 @end table
421
422 Calls to @code{mmap} must fail if the address is not page-aligned, if
423 the length is not positive, or if the length is not a multiple of
424 @code{PGSIZE}.  You also must error check to make sure that the new
425 segment does not overlap already existing segments, and fail if it
426 does.  If the length passed to @code{mmap} is less than the file's
427 length, you should only map the first part of the file.  If the length
428 passed to @code{mmap} is longer than the file, the call should fail.
429 (Ideally it should extend the file, but our file system does not yet
430 support growing files.)  Similar to the code segment, your VM system
431 should be able to use the @code{mmap}'d file itself as backing store
432 for the mapped segment, since the changes to the @code{mmap} segment
433 will eventually be written to the file.  (In fact, you may choose to
434 implement executable mappings as a special case of file mappings.)
435
436 @node Virtual Memory FAQ
437 @section FAQ
438
439 @enumerate 1
440 @item
441 @b{Do we need a working HW 2 to implement HW 3?}
442
443 Yes.
444
445 @item
446 @anchor{Hash Table}
447 @b{How do I use the hash table provided in @file{lib/kernel/hash.c}?}
448
449 First, you need to embed a @code{hash_elem} object as a member of the
450 object that the hash table will contain.  Each @code{hash_elem} allows
451 the object to a member of at most one hash table at a given time.  All
452 the hash table functions that deal with hash table items actually use
453 the address of a @code{hash_elem}.  You can convert a pointer to a
454 @code{hash_elem} member into a pointer to the structure in which
455 member is embedded using the @code{hash_entry} macro.
456
457 Second, you need to decide on a key type.  The key should be something
458 that is unique for each object, because a given hash table may not
459 contain two objects with equal keys.  Then you need to write two
460 functions.  The first is a @dfn{hash function} that converts a key
461 into an integer.  Some sample hash functions that you can use or just
462 examine are given in @file{lib/kernel/hash.c}.  The second function
463 needed is a @dfn{comparison function} that compares a pair and returns
464 true if the first is less than the second.  These two functions have
465 to be compatible with the prototypes for @code{hash_hash_func} and
466 @code{hash_less_func} in @file{lib/kernel/hash.h}.
467
468 Here's a quick example.  Suppose you want to put @code{struct thread}s
469 in a hash table.  First, add a @code{hash_elem} to the thread
470 structure by adding a line to its definition:
471
472 @example
473 hash_elem h_elem;               /* Hash table element. */
474 @end example
475
476 We'll choose the @code{tid} member in @code{struct thread} as the key,
477 and write a hash function and a comparison function:
478
479 @example
480 /* Returns a hash for E. */
481 unsigned
482 thread_hash (const hash_elem *e, void *aux UNUSED)
483 @{
484   struct thread *t = hash_entry (e, struct thread, h_elem);
485   return hash_int (t->tid);
486 @}
487
488 /* Returns true if A's tid is less than B's tid. */
489 bool
490 thread_less (const hash_elem *a_, const hash_elem *b_, void *aux UNUSED)
491 @{
492   struct thread *a = hash_entry (a_, struct thread, h_elem);
493   struct thread *b = hash_entry (b_, struct thread, h_elem);
494   return a->tid < b->tid;
495 @}
496 @end example
497
498 Then we can create a hash table like this:
499
500 @example
501 struct hash threads;
502
503 hash_init (&threads, thread_hash, thread_less, NULL);
504 @end example
505
506 Finally, if @code{@var{t}} is a pointer to a @code{struct thread},
507 then we can insert it into the hash table with:
508
509 @example
510 hash_insert (&threads, &@var{t}->h_elem);
511 @end example
512
513 If you have any other questions about hash tables, the CS109
514 and CS161 textbooks have good chapters on them, or you can come
515 to any of the TA's office hours for further clarification.
516
517 @item
518 @b{What are the @var{aux} parameters to the hash table functions good
519 for?}
520
521 In simple cases you won't have any need for the @var{aux} parameters.
522 In these cases you can just pass a null pointer to @code{hash_init()}
523 for @var{aux} and ignore the values passed to the hash function and
524 comparison functions.  (You'll get a compiler warning if you don't use
525 the @var{aux} parameter, but you can turn that off with the
526 @code{UNUSED} macro, as shown above, or you can just ignore it.)
527
528 @var{aux} is useful when you have some property of the data in the
529 hash table that's both constant and needed for hashing or comparisons,
530 but which is not stored in the data items themselves.  For example, if
531 the items in a hash table contain fixed-length strings, but the items
532 themselves don't indicate what that fixed length is, you could pass
533 the length as an @var{aux} parameter.
534
535 @item
536 @b{The current implementation of the hash table does not do something
537 that we need it to do. What gives?}
538
539 You are welcome to modify it.  It is not used by any of the code we
540 provided, so modifying it won't affect any code but yours.  Do
541 whatever it takes to make it work the way you want.
542
543 @item
544 @b{What controls the layout of user programs?}
545
546 The linker is responsible for the layout of a user program in
547 memory. The linker is directed by a ``linker script'' which tells it
548 the names and locations of the various program segments.  You can
549 learn more about linker scripts by reading the ``Scripts'' chapter in
550 the linker manual, accessible via @samp{info ld}.
551 @end enumerate
552
553 @menu
554 * Problem 3-1 and 3-2 FAQ::    
555 * Problem 3-3 Memory Mapped File FAQ::  
556 @end menu
557
558 @node Problem 3-1 and 3-2 FAQ
559 @subsection Problem 3-1 and 3-2 FAQ
560
561 @enumerate 1
562 @item
563 @b{Does the virtual memory system need to support growth of the stack
564 segment?}
565
566 Yes. If a page fault appears just below the last stack segment page,
567 you must add a new page to the bottom of the stack. It is impossible
568 to predict how large the stack will grow at compile time, so we must
569 allocate pages as necessary. You should only allocate additional pages
570 if they ``appear'' to be stack accesses.
571
572 @item
573 @b{Does the first stack page need to be loaded lazily?}
574
575 No, you can initialize the first stack page with the command line at
576 load time.  There's no need to wait for it to be faulted in.  Even if
577 you did wait, the very first instruction in the user program is likely
578 to be one that faults in the page.
579
580 @item
581 @b{Does the virtual memory system need to support growth of the data
582 segment?}
583
584 No.  The size of the data segment is determined by the linker.  We
585 still have no dynamic allocation in Pintos (although it is possible to
586 ``fake'' it at the user level by using memory-mapped files).  However,
587 implementing it would add little additional complexity to a
588 well-designed system.
589
590 @item
591 @b{But what do you mean by ``appear'' to be stack accesses? How big can a
592 stack growth be?  Under what circumstances do we grow the stack?}
593
594 If it looks like a stack request, then you grow the stack. Yes, that's
595 ambiguous. You need to make a reasonable decision about what looks
596 like a stack request. For example, you could decide a page, or two
597 pages, or ten pages, or more@enddots{}  Or, you could use some other
598 heuristic to figure this out.
599
600 Make a reasonable decision and document it in your code and in
601 your design document.  Please make sure to justify your decision.
602 @end enumerate
603
604 @node Problem 3-3 Memory Mapped File FAQ
605 @subsection Problem 3-3: Memory Mapped File FAQ
606
607 @enumerate 1
608 @item
609 @b{How do we interact with memory-mapped files?}
610
611 Let's say you want to map a file called @file{foo} into your address
612 space at address @t{0x10000000}. You open the file, determine its
613 length, and then use @code{mmap}:
614
615 @example
616 #include <stdio.h>
617 #include <syscall.h>
618
619 int main (void)
620 @{
621     void *addr = (void *) 0x10000000;
622     int fd = open ("foo");
623     int length = filesize (fd);
624     if (mmap (fd, addr, length))
625         printf ("success!\n");
626 @}
627 @end example
628
629 Suppose @file{foo} is a text file and you want to print the first 64
630 bytes on the screen (assuming, of course, that the length of the file
631 is at least 64).  Without @code{mmap}, you'd need to allocate a
632 buffer, use @code{read} to get the data from the file into the buffer,
633 and finally use @code{write} to put the buffer out to the display. But
634 with the file mapped into your address space, you can directly address
635 it like so:
636
637 @example
638 write (addr, 64, STDOUT_FILENO);
639 @end example
640
641 Similarly, if you wanted to replace the first byte of the file,
642 all you need to do is:
643
644 @example
645 addr[0] = 'b';
646 @end example
647
648 When you're done using the memory-mapped file, you simply unmap
649 it:
650
651 @example
652 munmap (addr);
653 @end example
654
655 @item
656 @b{What if two processes memory-map the same file?}
657
658 There is no requirement in Pintos that the two processes see
659 consistent data.  Unix handles this by making the processes share the
660 same physical page, but the @code{mmap} system call also has an
661 argument allowing the client to specify whether the page is shared or
662 private (i.e.@: copy-on-write).
663
664 @item
665 @b{What happens if a user removes a @code{mmap}'d file?}
666
667 You should follow the Unix convention and the mapping should still be
668 valid.  @xref{Removing an Open File}, for more information.
669
670 @item
671 @b{What if a process writes to a page that is memory-mapped, but the
672 location written to in the memory-mapped page is past the end
673 of the memory-mapped file?}
674
675 Can't happen.  @code{mmap} checks that the mapped region is within the
676 file's length and Pintos provides no way to shorten a file.  (Until
677 project 4, there's no way to extend a file either.)  You can remove a
678 file, but the mapping remains valid (see the previous question).
679
680 @item
681 @b{Do we have to handle memory mapping @code{stdin} or @code{stdout}?}
682
683 No.  Memory mapping implies that a file has a length and that a user
684 can seek to any location in the file.  Since the console device has
685 neither of these properties, @code{mmap} should return false when the
686 user attempts to memory map a file descriptor for the console device.
687
688 @item
689 @b{What happens when a process exits with mapped files?}
690
691 When a process finishes, each of its mapped files is implicitly
692 unmapped.  When a process @code{mmap}s a file and then writes into the
693 area for the file it is making the assumption the changes will be
694 written to the file.
695
696 @item
697 @b{If a user closes a mapped file, should it be automatically
698 unmapped?}
699
700 No, once created the mapping is valid until @code{munmap} is called
701 or the process exits.
702 @end enumerate