综合练习

• 本节难度：对OS的全局理解要求较高。

• 实验分为基础作业实验和扩展作业实验(二选一)。

基础作业

在保持 syscall 数量和基本含义不变的情况下，通过对 OS 内部的改进，提升 OS 的质量。

同学们通过独立完成前面的实验后，应该对于操作系统的核心关键机制有了较好的了解，并知道如何形成一个有进程 / 地址空间 / 文件核心概念的基本功能 OS。但同学自制的 OS 可能还需进一步完善，才能在功能 / 性能 / 可靠性上进一步进化，以使得测试用例的正常运行。

综合实验的目的是希望同学们能够在完成前面实验的基础上，站在全局视角，分析之前的测试用例(没增加新的 syscall 访问，只是更加全面和深入地测试操作系统的质量和能力)的运行情况，分析和理解自己写的 OS 是否能比较好地满足应用需求？如果不满足应用需求，或者应用导致系统缓慢甚至崩溃，那原因出在哪里？应该如何修改？修改后的 OS 是否更加完善还是缺陷更多？

实验要求

• 实现分支：final。

• 运行 final测例 ，观察并分析部分测试用例对 OS 造成的不良影响。

• 结合你学到的操作系统课程知识和你的操作系统具体实践情况，分析你写的 OS 对 测试用例中 的 app 支持不好的原因，比如：为何没运行通过，为何死在某处了，为何系统崩溃，为何系统非常缓慢。分析可能的解决方法。(2~4 个，4 个合理的分析就可得到满分，超过 4 个不额外得分)。

• 更进一步完成编程实现，使其可以通过一些原本 fail 的测例。(1～2 个，超过 2 个不额外得分)。

报告要求

• 对于失败测例的现象观察，原因分析，并提出可能的解决思路(2~4个)。

• 编程实现的具体内容，不需要贴出全部代码，重要的是描述清楚自己的思路和做法(1~2个)。

• (optional)你对本次实验的其他看法。

其他说明

• 注意：编程实现部分的底线是 OS 不崩溃，如果你解决不了问题，就解决出问题的进程。可以通过简单杀死进程方式保证OS不会死掉。比如不支持某种 corner case，就把触发该 case 的进程杀掉，如果是这样，至少完成两个。会根据报告综合给分。

• 有些测例属于非法程序，比如申请过量内存，对于这些程序，杀死进程其实就是正确的做法。参考: OOM killer 。

• 不一定所有的测例都会导致自己实现的 OS 崩溃，与语言和实现都有关系，选择出问题的测例分析即可。对于没有出错的测例，可以选择性分析自己的 OS 是如何预防这些”刁钻”测例的。对于测例没有测到的，也可以分析自己觉得安全 / 高效的实现，只要分析合理及给分。

• 鼓励针对有趣的测例进行分析！开放思考！

注解

1. 本次实验的分值与之前 lab 相同，截至是时间为 15 周周末，基础实验属于必做实验(除非你选择做扩展作业来代替基础作业)。

2. 在测例中有简明描述：想测试OS哪方面的质量。同学请量力而行，推荐不要超过上述上限。咱们不要卷。

3. 对于有特殊要求的同学(比如你觉得上面的实验太难)，可单独找助教或老师说出你感兴趣或力所能及的实验内容，得到老师和助教同意后，做你提出的实验。

4. 欢迎同学们贡献新测例，有意义测例经过助教检查可以写进报告充当工作量，欢迎打掉框架代码OS，也欢迎打掉其他同学的OS。

实验检查

• 实验目录要求

  目录要求不变（参考 lab1 目录或者示例代码目录结构）。同样在 os 目录下 make run 之后可以正确加载用户程序并执行。

  加载的用户测例位置： ../user/build/elf。

• 检查

  可以正确 make run 执行，可以正确执行目标用户测例，并得到预期输出(详见测例注释)。

问答作业

无

拓展作业(可选)

给部分同学不同的OS设计与实现的实验选择。扩展作业选项(1-14)基于 之前的OS来实现，扩展作业选项(15)是发现目标内核(ucore / rcore os)漏洞。可选内容(有大致难度估计)如下：

1. 实现多核支持，设计多核相关测试用例，并通过已有和新的测试用例(难度：8)

   • 某学长的有bug的rcore tutorial参考实现 https://github.com/xy-plus/rCore-Tutorial-v3/tree/ch7

2. 实现slab内存分配算法，通过相关测试用例(难度：7)

   • https://github.com/tokio-rs/slab

3. 实现新的调度算法，如 CFS、BFS 等，通过相关测试用例(难度：7)

   • https://en.wikipedia.org/wiki/Completely_Fair_Scheduler

   • https://www.kernel.org/doc/html/latest/scheduler/sched-design-CFS.html

4. 实现某种 IO buffer 缓存替换算法，如2Q， LRU-K，LIRS等，通过相关测试用例(难度：6)

   • LIRS: http://web.cse.ohio-state.edu/~zhang.574/lirs-sigmetrics-02.html

   • 2Q: https://nyuscholars.nyu.edu/en/publications/2q-a-low-overhead-high-performance-buffer-replacement-algorithm

   • LRU-K: https://dl.acm.org/doi/10.1145/170036.170081

5. 实现某种页替换算法，如Clock， 二次机会算法等，通过相关测试用例(难度：6)

6. 实现支持日志机制的可靠文件系统，可参考OSTEP教材中对日志文件系统的描述(难度：7)

7. 支持virtio disk的中断机制，提高IO性能(难度：4)

   • chapter8 https://github.com/rcore-os/rCore-Tutorial-Book-v3/tree/chy

   • https://github.com/rcore-os/virtio-drivers

   • https://github.com/belowthetree/TisuOS

8. 支持 virtio framebuffer /键盘/鼠标处理，给出demo(推荐类似 pong 的 graphic game)的测试用例(难度：6)

   • code: https://github.com/sgmarz/osblog/tree/pong

   • code: https://github.com/belowthetree/TisuOS

   • tutorial doc: Talking with our new Operating System by Handling Input Events and Devices

   • tutorial doc: Getting Graphical Output from our Custom RISC-V Operating System in Rust

   • tutorial doc: Writing Pong Game in Rust for my OS Written in Rust

9. 支持virtio NIC，给出测试用例(难度：7)

   • https://github.com/rcore-os/virtio-drivers

10. 支持 virtio fs or其他virtio虚拟外设，通过测试用例(难度：5)

    • https://docs.oasis-open.org/virtio/virtio/v1.1/csprd01/virtio-v1.1-csprd01.html

11. 支持 testsuits for kernel 中15个以上的syscall，通过相关测试用例(难度：6)

    • 大部分与我们实验涉及的 syscall 类似

    • https://gitee.com/oscomp/testsuits-for-oskernel#testsuits-for-os-kernel

12. 支持新文件系统，比如 fat32 或 ext2 等，通过相关测试用例(难度：7)

    • https://github.com/rafalh/rust-fatfs

    • https://github.com/pi-pi3/ext2-rs

13. 支持物理硬件(如全志哪吒开发板，K210开发板等)。(难度：7)

    • 可找老师要物理硬件开发板和相关开发资料

14. 支持其他处理器(如鲲鹏 ARM64、x64 架构等)。(难度：7)

    • 可基于 QEMU 来开发

    • 可找老师要基于其他处理器的物理硬件开发板（如树莓派等）和相关开发资料

15. 对fork/exec/spawn等进行扩展，并改进shell程序，实现“|”这种经典的管道机制。(难度：4)

    • 参考 rcore tutorial 文档中 chapter7 中内容

16. 向实验用操作系统发起 fuzzing 攻击(难度：6)

    • 其实助教或老师写出的OS kernel也是漏洞百出，不堪一击。我们缺少的仅仅是一个可以方便发现bug的工具。也许同学们能写出或改造出一个os kernel fuzzing工具来发现并crash它/它们。下面的仅仅是参考，应该还不能直接用，也许能给你一些启发。

    • gustave fuzzer for os kernel tutorial

    • gustave fuzzer project

    • paper: GUSTAVE: Fuzzing OS kernels like simple applications

17. 学生自己的想法，但需要告知老师或助教，并得到同意。

注解

1. 支持 1~3 人组队，如果确定并组队完成，请在截止期前通过电子邮件告知助教。成员的具体得分可能会通过与老师和助教的当面交流综合判断给出。尽量减少划水与抱大腿。

2. 根据老师和助教的评价，可获得额外得分，但不会超过实验 的满分(30分)。也就是如果前面实验有失分，可以通过一个简单扩展把这部分分数拿回来。

其他说明

• 不能抄袭其他上课同学的作业，查出后，所有实验成绩清零。

• final 扩展作业可代替 final 基础作业。拓展实验给分要求会远低于大实验，简单的拓展也可以的得到较高的评价。在完成代码的同时，也要求写出有关设计思路，问题及解决方法，实验分析等内容的实验报告。

• 完成之前的编程作业也可得满分。这个扩展作业不是必须要做的，是给有兴趣但不想选择大实验的同学一个选择。

实验检查

完成后当面交流。

问答作业

无