Lab 035 · 通电 fork/exec

对应主书 035 · 通电:让 fork/exec 真的能跑。承接 034(骨架搭好、尚未通电),本 lab 把 fork/exec 的每个缺口合上开关。这里给任务、给约束、给排错方向,不贴完整答案——尤其是那五堵墙,你得自己撞一遍才记得住。

实验目标

让 034 的 fork / execve / CoW 端到端可用:子进程从 fork 返回 0、CoW 在写时真的复制、syscall 跨进程切换正常、ELF 每页填对、内核栈溢出能被发现。

前置条件

• 完成 034:fork/exec/wait 的骨架、CoW 页表标记、handle_cow_fault(死代码)、CpuContext(64 字节、无 rax、无 gs)。
• 读懂 023(syscall/SYSCALL/SYSRET、swapgs、GS per-CPU 数据页)和 019/020(context_switch、调度器)。

任务分解

任务 1:让子进程从 fork 返回 0

034 的 fork 没给子进程设返回值。

• 在 context_switch.S 写 fork_child_trampoline:xorq %rax,%rax; ret(global)。
• fork() 里把 child->ctx.rip 指向它、child->ctx.rsp 指向 fork() 返回地址。
• 约束:不要给 CpuContext 加 rax(那会牵动整套切换约定);用独立 trampoline。
• 验证:fork 后父拿 child_pid、子拿 0,子进程能据此走不同分支。

任务 2:把 CoW 接进 #PF + FLAG_USER 过滤

034 的 handle_cow_fault 是死代码。

• 在 exception_handlers.cpp::handle_pf 里,当错误码 present && write && user(err&0x01 && err&0x02 && err&0x04)时调 handle_cow_fault(fault_addr),成功则 return(不 fatal)。
• copy_page_table_level 加 FLAG_USER 过滤:if (!(entry.raw & FLAG_USER)) continue;(跳过内核映射);带 FLAG_USER 的 huge page 直接共享、不 CoW。
• 前置条件(先审查):所有内核硬件访问(framebuffer、AHCI、CoW 页拷贝)都走高半区 phys + KERNEL_VMA,不依赖 PML4[0] 恒等映射。若有谁吃恒等映射(典型:framebuffer 直接拿物理地址当虚拟地址),先改掉——否则子进程会复制到不该复制的内核大页。

任务 3:给 fork 保留帧指针

fork 用 RBP 定位返回地址,但 Release -O2 默认 -fomit-frame-pointer。

• 给 fork 加 __attribute__((optimize("no-omit-frame-pointer"), noinline))。
• 思考:为什么必须同时 noinline?(内联后函数边界消失,帧指针语义失效。)
• 症状对照:不通电时 fork 子进程会 Double Fault、异常帧 RSP 落在用户空间。

任务 4:调度器保存/恢复 GS MSR

MSR 是 CPU 全局寄存器,context_switch 不存会导致 swapgs 配对跨切换错乱、子进程首条 syscall 崩(RSP=0)。

• CpuContext 加 gs_base(offset 64)、kgs_base(offset 72),sizeof 64→80,加 static_assert。
• context_switch.S 用 rdmsr/wrmsr 存取 0xC0000101(MSR_GS_BASE)、0xC0000102(MSR_KERNEL_GS_BASE)。
• fork 和 TaskBuilder::build 初始化新任务:gs_base=0、kgs_base=g_per_cpu.gs_page_vaddr。
• PerCPU 加 gs_page_vaddr + update_syscall_stack(),每次切换刷新 gs:0。
• 约束:offset 必须和 .S 里的 64(%rdi)/72(%rdi) 严格对应,用 static_assert(offsetof(...)) 钉死。

任务 5:修 execve 的页内偏移

034 把段内偏移当页内偏移,第二页起 dst+0x1000 越界、新页全零(.rodata 受害)。

• 分离:in_page_off = data_vaddr - vaddr(页内);seg_offset = data_vaddr - phdr.p_vaddr(段内,算文件读位置)。写入用 dst + in_page_off,文件读用 phdr.p_offset + seg_offset。
• 诊断技巧:加数据内容日志(不只字节数)——shell 写 "\n" 进管道变成 "\x00" 立刻暴露问题。

任务 6:栈溢出 guard page(035 半通电,诚实标注)

大对象(Terminal screen_ ~24KB + Pipe 缓冲)超 16KB 内核栈,溢出静默踩邻区。document/notes/035/stack_guard_page_debug.md 给出了完整修法,但tag 035 只落地了一半,本 lab 按实际落地范围做:

035 已落地(做这些):

• linker 在 __kernel_end 后留 64KB NOLOAD guard 区(__boot_guard_start/end)。
• handle_pf 用 __boot_guard_start/end + per-task kernel_stack_guard_page 检测,命中打 BOOT STACK OVERFLOW DETECTED。
• VMM 加 split_2mb_page(boot 栈是 2MB huge page,4KB unmap 拆不动,得先 split)。

035 未落地(在报告里诚实标注,不要假装已做):

• #PF 在 035 仍是 IST=0、GDT 没有 IST2/pf_stack(只有 #DF 用 IST1)。
• split_2mb_page 在 035 全仓无调用点(死代码),运行时的 split+unmap 没接。

关键理解:光有 guard 区和检测代码不够——guard 区此刻还被 2MB huge page 覆盖着(没 split+unmap),栈溢出写进去不 #PF;而且就算 #PF 了,没配 IST 的话 handler 会用溢出栈二次崩 → Double Fault → Triple Fault → 静默重启。所以这条在 035 是「骨架立了、没真正生效」的半成品。#PF 必须配 IST、guard 区必须运行时 unmap,这两步是让它真正生效的关键,留给后面。

接口约束

• CpuContext = 80 字节,gs_base@64、kgs_base@72,.S 与 .hpp offset 严格对应(static_assert)。
• handle_pf 的 CoW 分支条件:err & 0x01 && err & 0x02 && err & 0x04。
• fork_child_trampoline 必须 global,且只做 xorq %rax,%rax; ret。
• fork 的属性:optimize("no-omit-frame-pointer") + noinline 缺一不可。

验证步骤

host 单测:

ctest --test-dir build -R "fork_exec|multi_terminal|pipe" --output-on-failure

QEMU 机内测试(通电效果主要在这儿验):

cmake --build build --target run-big-kernel-test

预期:run_fork_exec_tests、run_multi_terminal_tests 通过,ALL TESTS PASSED。重点看:fork 子进程返回 0、CoW 在真 #PF 里工作、多终端不崩。

常见故障(就是那五堵墙)

• fork 后 Double Fault、RSP 在用户空间:fork 没保留帧指针,-O2 下 RBP 不是帧指针。加任务 3 的属性。
• 点图标 fork 后 CoW 把内核大页也复制了、行为全乱:copy_page_table_level 没 FLAG_USER 过滤,或 framebuffer 还吃恒等映射。先做任务 2 的前置审查。
• 子进程第一条 syscall 崩、RSP=0、地址 0 缺页:GS MSR 没跨切换保存。做任务 4。
• shell 只回显不执行、提示符/欢迎语是 \x00:execve 页内偏移 bug,.rodata 全零。做任务 5。
• 多终端测试静默卡死、无串口:栈溢出 + guard page 没生效(#PF 无 IST / guard 没 unmap / huge page 拆不动)。做任务 6。

通过标准

• [ ] 子进程从 fork 返回 0(trampoline),父进程返回 child_pid。
• [ ] handle_pf 对 user-write-present 调 handle_cow_fault 成功返回;copy_page_table_level 按 FLAG_USER 过滤。
• [ ] fork 带帧指针属性,-O2 下子进程栈正确。
• [ ] CpuContext=80B + gs 字段,context_switch rdmsr/wrmsr,子进程首条 syscall 不崩。
• [ ] execve 每页填对,.rodata 字符串非零,shell 能执行命令。
• [ ] guard page 骨架就位(linker guard 区 + handle_pf 检测 + split_2mb_page 能力),并诚实标注 035 未落地的部分(#PF 仍 IST=0、split_2mb_page 无调用点、运行时未 unmap)——即 guard 在 035 尚未真正触发,是半通电。
• [ ] host + QEMU 测试通过。