Lab 003 · demand paging 硬门控 + ext2 缓存 验证

对应 document/book/13-memory-advanced/003/。验证档 B 档(行为变化 + 性能优化)。验证靠构建 + 测试 + grep + 命中计数 + 实机不崩。

目标

确认四件事:

1. PF 硬门控:用户态 not-present PF 命不中 VMA → exit_current 真 segfault,靠 err & 0x04 区分 user/kernel;
2. 栈增长窗扩到 1MB(USER_STACK_GROWTH),配套硬门控;
3. sys_read 对磁盘文件走 PageCache::read_bytes,靠 is_page_cacheable() virtual 判别;
4. run-kernel-test 从 002 的 730 涨到 734。

步骤

1. 构建 + 测试

git checkout 003_demand_paging_ext2_cache 2>/dev/null || git checkout 003_*
cmake -B build -S . && cmake --build build -j$(nproc) > /tmp/b.log 2>&1; echo "build=$?"
cmake --build build --target run-kernel-test

期望:build=0;run-kernel-test ~734。

2. PF 硬门控

grep -nE 'err & 0x04|exit_current' kernel/arch/x86_64/exception_handlers.cpp
grep -n 'USER_STACK_GROWTH' kernel/arch/x86_64/usermode.hpp
# 期望:PF handler 有 user_fault=(err&0x04) 判定 + exit_current;USER_STACK_GROWTH=0x100000(1MB)

思考:为什么硬门控靠 err & 0x04 区分?——见章节:kernel-test 是 ring0 访问用户地址(err&0x04=0),真实用户程序是 ring3 fault(err&0x04=1)。只杀后者,前者保持零页容错给测试留活路。为什么栈 VMA 必须配套扩到 1MB?——硬门控上了但栈还 16KB,深调用栈用户程序栈 PF 落 VMA 外 → segfault 自爆。门控 + 栈扩必须配套。

3. ext2 read 经 PageCache

grep -rn 'read_bytes\|is_page_cacheable' kernel/mm/page_cache.hpp kernel/fs/inode.hpp kernel/syscall/sys_read.cpp
# 期望:page_cache.hpp:87 read_bytes;inode.hpp:81 is_page_cacheable(默认 false);sys_read.cpp:54 三元分流
grep -n 'is_page_cacheable' kernel/fs/ext2_common.hpp
# 期望:Ext2FileOps override 返 true

思考:为什么用 is_page_cacheable() virtual 而不是 inode->type 字段?——见章节:pipe 的 type 也是 Regular,靠 type 会误把 pipe 路由进缓存。virtual 带默认实现源码兼容,现有子类不用改。

4.(端到端)命中计数

内核测试里真 ext2 读 /hello.txt 两遍:第一遍 miss(读盘),第二遍 hit_count() 上升、读盘次数不增、字节一致——这就是 sys_read→read_bytes→get_page 全链通的铁证。

验收清单

• [ ] 构建 build=0,run-kernel-test ~734。
• [ ] PF 硬门控(err&0x04 + exit_current)在,栈 USER_STACK_GROWTH=1MB。
• [ ] read_bytes + is_page_cacheable() 在,sys_read 三元分流。
• [ ] 能说清「为什么靠 err&0x04 区分」「为什么 read_bytes 不能让 Ext2FileOps::read 反向调 cache(会成环)」。

别做这些

• 别在硬门控里不加 err&0x04 判定就杀——kernel-test(ring0)会被误杀 hang。
• 别让 Ext2FileOps::read 调 page_cache——read→get_page→read 死循环。
• 别上硬门控不扩栈 VMA——深栈用户程序自爆(测试盲区掩盖,实机才暴露)。