予焦啦！虛擬記憶體啟用後的除錯

2021 iThome 鐵人賽

DAY 12

Software Development

予焦啦！Hoddarla 專案起步：使用 Golang 撰寫 RISC-V 作業系統的初步探索系列第 12 篇

13th鐵人賽 risc-v golang

高魁良

團隊晶心壯士 II：SOLAR System

2021-09-21 10:37:33

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本節是以 Golang 上游 4b654c0eeca65ffc6588ffd9c99387a7e48002c1 為基準做的實驗

予焦啦！昨日啟用了虛擬位址的使用，試跑之後也走到比較遠的地方了，但看起來似乎觸發了嚴重的錯誤。嚴重的用詞不是很精確，實際上這裡指稱的是，進入到了 Golang 執行期的函數 fatalthrow 裡面。

本節重點概念

RISC-V
- 除錯技巧
Golang
- 記憶體管理抽象層
- 打通 throw 機制
- 使用 Golang 支援除錯

除錯目前狀況

目前我們已知的是出現錯誤的虛擬位址在 0xffffffc00002f650，且試試能否在 gdb 中這樣使用：

(gdb) b *0xffffffc00002f650
Cannot access memory at address 0xffffffc00002f650

事實上是不行的。筆者猜測，GDB 與 QEMU 之間的除錯機制並沒有聰明到能夠理解尚未建立的虛擬位址，而且這時候，分頁表都還沒建立。儘管如此，我們還是可以使用 gdb 的，但使用上稍微迂迴一點。我們可以總是預先停在 satp 控制暫存器寫入時的該行指令，然後

使用 si 指令推進一行，理論上啟用了虛擬位址
直接重設程式指標（pc）到 stvec 中紀錄的位址。既然我們有除錯器的幫助，何必讓指令頁面錯誤發生再跳轉呢？
在可用虛擬位址的新狀況下繼續除錯。

由於實在太迂迴，筆者直接準備一個輔助腳本在 hoddarla 專案本身裡面 misc/mkgdbrc.sh ：

$ cat misc/mkgdbrc.sh 
#!/bin/bash

PREFIX=riscv64-buildroot-linux-musl-
KERNEL=ethanol/ethanol

echo target remote :1234
echo b *0x802$("$PREFIX"objdump -d "$KERNEL" | grep satp | sed -e "s/^.*\([0-9a-f]\{5\}\):.*$/\1/")
echo c
echo d 1
echo si
echo set \$pc=\$stvec
echo file $KERNEL

這樣，使用者或開發者可以在第一個終端機開啟 QEMU：

$ make EXTRA_FLAGS='-S -s'
make -C ethanol/
make[1]: 進入目錄「/home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/ethanol」
make[1]: 對「all」無需做任何事。
make[1]: 離開目錄「/home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/ethanol」
qemu-system-riscv64 \
        -smp 4 \
        -M virt \
        -m 512M \
        -nographic \
        -bios misc/opensbi/build/platform/generic/firmware/fw_jump.bin \
        -device loader,file=ethanol/goto/goto.bin,addr=0x80200000 \
        -device loader,file=ethanol/hw,addr=0x80201000,force-raw=on -S -s

在第二個終端機則可以使用上述輔助腳本開啟 GDB：

$ make debug
riscv64-linux-gnu-gdb -x /tmp/gdbrc
...
Breakpoint 1 at 0x80255594                      
[Switching to Thread 1.2] 

Thread 2 hit Breakpoint 1, 0x0000000080255594 in ?? ()                    
0x0000000080255598 in ?? ()
...
(gdb) x/10i $pc -0x10
   0xffffffc000055590 <relocate+128>:   sfence.vma
   0xffffffc000055594 <relocate+132>:   csrw    satp,t0
   0xffffffc000055598 <relocate+136>:   ebreak
   0xffffffc00005559c:  unimp
   0xffffffc00005559e:  unimp
=> 0xffffffc0000555a0 <_rt1_riscv64_opensbi>:   auipc   a0,0x0
   0xffffffc0000555a4 <_rt1_riscv64_opensbi+4>: addi    a0,a0,-264
   0xffffffc0000555a8 <_rt1_riscv64_opensbi+8>: csrw    stvec,a0
   0xffffffc0000555ac <_rt1_riscv64_opensbi+12>:        auipc   t0,0xffffd
   0xffffffc0000555b0 <_rt1_riscv64_opensbi+16>:        addi    t0,t0,-348

前述腳本根據映像檔內容生成 /tmp/gdbrc 之後，自動定位到虛擬位址啟用的指令，然後停留在能夠使用虛擬位址除錯的階段。

追溯錯誤歷史

繼續追查最終來到 fatalthrow 的原因，我們如以往一般使用除錯器指令設置中斷點：

(gdb) b *0xffffffc00002f650
Breakpoint 2 at 0xffffffc00002f650: file /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/panic.go, line 1263.
(gdb) c
Continuing.

Thread 2 hit Breakpoint 2, 0xffffffc00002f650 in runtime.fatalthrow ()
    at /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/panic.go:1263
1263            *(*int)(nil) = 0 // not reached

讀者或許會疑惑，為什麼筆者不使用符號設置中斷點，而是要先查詢確切位址再設置？這是因為筆者開發環境習慣會另外開一個終端機，列出 ethanol/ethanol 的反組譯組合語言碼；通常要開始除錯之前，都已經先在這個終端機端詳許久，所以切換到 GDB 所屬的終端機前，只需要複製個想要除錯的位址即可。為求行文風格的敘述一致性，在撰寫除錯相關段落時，一律使用位址來做除錯。但本日最後的小節，筆者會附上更無縫的除錯體驗，供各位讀者參考。

中斷點這個位址顯然是流程當中故意要出問題的，因為這裡將 nil 空指標轉型成整數指標之後，對之賦值，所以觸發寫入錯誤也是當然的了。

再來看看，目前為止 ethanol 的執行經歷過什麼樣的歷史軌跡：

(gdb) bt 
#0  0xffffffc00002f650 in runtime.fatalthrow () 
    at /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/panic.go:1263
#1  0xffffffc00002f410 in runtime.throw (s=...)
    at /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/panic.go:1198                   
#2  0xffffffc00000a0f0 in runtime.persistentalloc1 (size=256, align=8, 
    sysStat=0xffffffc0000d8778 <runtime.memstats+152>, ~r3=<optimized out>)
    at /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/malloc.go:1413
#3  0xffffffc000009e14 in runtime.persistentalloc.func1 ()
    at /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/malloc.go:1367
#4  0xffffffc000009db8 in runtime.persistentalloc (size=256, align=8, 
    sysStat=0xffffffc0000d8778 <runtime.memstats+152>, ~r3=<optimized out>)
    at /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/malloc.go:1366
#5  0xffffffc00002a1dc in runtime.(*addrRanges).init (
    a=0xffffffc0000d0cf8 <runtime.mheap_+65688>,  
    sysStat=0xffffffc0000d8778 <runtime.memstats+152>)
    at /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/mranges.go:170
#6  0xffffffc000023b84 in runtime.(*pageAlloc).init (p=0xffffffc0000c0c68 <runtime.mheap_+8>, 
    mheapLock=0xffffffc0000c0c60 <runtime.mheap_>, 
    sysStat=0xffffffc0000d8778 <runtime.memstats+152>)
#7  0xffffffc000020cf4 in runtime.(*mheap).init (h=0xffffffc0000c0c60 <runtime.mheap_>)
    at /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/mheap.go:726
#8  0xffffffc000008050 in runtime.mallocinit ()
    at /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/malloc.go:481
#9  0xffffffc0000324cc in runtime.schedinit ()
    at /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/proc.go:689
#10 0xffffffc0000524ec in runtime.rt0_go ()
    at /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/asm_riscv64.s:56

以下再細分小節來簡述目前，Golang 的執行期環境原本想要初始化什麼項目。

`schedinit`

(gdb) f 9
#9  0xffffffc0000324cc in runtime.schedinit ()
    at /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/proc.go:689
689             mallocinit()
(gdb) l
684             // The world starts stopped.
685             worldStopped()
686
687             moduledataverify()
688             stackinit()
689             mallocinit()
690             fastrandinit() // must run before mcommoninit
691             mcommoninit(_g_.m, -1)
692             cpuinit()       // must run before alginit
693             alginit()       // maps must not be used before this call

從 rt0_go 進入的主要函式 schedinit，在拙作當中（第八天到第十二天）有過一些簡略的描述。這是 Golang 排程器（scheduler）需要的機制的初始化函數。以下相關的說明，參考自 src/runtime/proc.go 開頭的註解。

總的來講，Golang 排程器的主要機制可以拆分成幾個主題：基本單元、工作者線程的啟動與暫停機制（unpark/park）、工作者線程的空轉狀態轉換（spinning/non-spinning）。

基本單元

G 代表共常式（之後本系列文在指稱 Goroutine 時，以共常式稱，這是國家教育研究院針對 coroutine 的翻譯。coroutine 在其他程式語言通常指稱使用者空間的協程機制），是執行 Golang 程式的基本單元。M 代表工作者線程（worker thread），通常直接對應到底下的作業系統提供的 pthread 或是輕量執行緒（LWP, Light-Weight Thread）。P 代表處理器（processor），是指工作者線程執行共常式所必須要具備的資源。

工作者線程的啟動與暫停

要能夠有效率地使用系統資源，有兩個目標是 Golang 排程器想要平衡取捨的：一個是，工作者線程的數量要夠大才能夠利用作業系統與硬體給予的平行度；另一個則是，工作者線程的數量不能過多，否則運算資源與能量會過度消耗。

啟動的條件有二：當有 P 閒置時，或者沒有空轉的工作者線程之時。

工作者線程的空轉狀態

若是一個工作者線程找不到本地（P 處理器）的工作，或是在全域（global）的執行佇列找不到工作可執行，則為空轉（spinning）的。

空轉狀態記錄在兩組變數當中：m.spinning 與 sched.nmspinning。如果有一個以上的空轉工作者線程，整個 Golang 排程機制就不會再啟動新的工作者線程。若最後一個空轉的工作者線程取得了工作，則是要啟動一個新的工作者線程。

`mallocinit`

接下來從 schedinit 進入 mallocinit 函式。這個函式的開頭是一百多行的註解，在描述作業系統的記憶體管理抽象層（OS Memory Management Abstraction Layer）。這個抽象層是在作業系統自己的記憶體管理機制之上的 Golang 機制，由四個狀態與七種轉移函式組成：

記憶體狀態

不可使用（None）：沒有被預留也沒有被映射的記憶體區域，是所有區域的初始狀態。
預留（Reserved）：由執行期佔據，若是存取預留區域的話則會產生錯誤。不算在這個行程（process）的記憶體足跡（memory footprint）。
已準備（Prepared）：已預留。可以很簡單的轉換到就緒狀態。存取這類記憶體的行為是未定義的。
就緒（Ready）：可合法存取。

狀態轉移函數

sysAlloc：從不可使用到就緒狀態。自作業系統取得已經清零的區塊。
sysReserve：從不可使用到被預留狀態。如果傳入非空指標（non-nil pointer），僅作為提示使用，實際上還是可能配置並回傳另外的位址。
sysFree：從任何狀態變回不可使用。如果 sysReserve 總是能夠確保回傳對齊（align）於堆疊配置器（heap allocator）的記憶體區域，就可以不需要實作這個狀態轉移。
sysMap：從被預留到已準備狀態。必須確保回傳的區域能夠很快轉換成就緒。
sysUsed：從已準備到就緒狀態。這個步驟是在有嚴格需求的作業系統上，如 Windows，用以通知核心，如今這個區域有確實的需求了。
sysUnused：從就緒變回已準備狀態。通知作業系統可以取回該區域。
sysFault：從就緒或是已準備變回預留狀態。這僅是執行期除錯需求，而標記某些記憶體區域產生錯誤。

快轉...直接來看最後出錯的 `persistentalloc1`

跳過了中間的數層呼叫，是因為這個階段都在建立 Golang 的記憶體管理機制。它們抽象化到最後，就是上述介紹的狀態機與轉移函數。別忘了，我們的如意算盤是直接挪用這些 Golang 機制做為作業系統的記憶體管理機制，至於成敗如何，還得看接下來怎麼走。

(gdb) l
1408                    persistent.base = (*notInHeap)(sysAlloc(persistentChunkSize, &memstats.other_sys))
1409                    if persistent.base == nil {
1410                            if persistent == &globalAlloc.persistentAlloc {
1411                                    unlock(&globalAlloc.mutex)
1412                            }
1413                            throw("runtime: cannot allocate memory")
1414                    }

我們可以看到，這裡執行期呼叫 throw 的部分，是由 persistent.base 是否為空指標來判斷的。而這個判斷之所以成立，就是因爲前一個 sysAlloc 我們完全沒有實作的緣故。

事實上，opensbi/riscv64 這個系統組合現有的 sysAlloc 在 src/runtime/mem_opensbi.go 中，實作為：

func sysAlloc(n uintptr, sysStat *sysMemStat) unsafe.Pointer {
        p := sysReserve(nil, n)
        sysMap(p, n, sysStat) 
        return p 
}
...
func sysReserve(v unsafe.Pointer, n uintptr) unsafe.Pointer {                                   
        return v  
}    
func sysMap(v unsafe.Pointer, n uintptr, sysStat *sysMemStat) {                                 
        sysStat.add(int64(n))
}

所以也難怪在 persistentalloc1 這裡會取回空指標了。這裡先暫時打住，我們來觀察一下執行期組件裡面的 throw 函式。

`throw` 到 `fatalthrow`

throw 函式在執行期可以回報錯誤字串且回溯歷史。但是顯然我們還缺乏一些機制，使得最後整個系統抵達了 fatalthrow 的最後一行，並且在控制台（console）完全沒有看到任何相關的訊息。

換個角度思考。如果是一般的 Golang 程式，發生了這種等級的問題，應該還是要能夠顯示訊息到控制台上才對。既然是需要顯示的情境，那就一定和系統呼叫 write 有關才對。

在 runtime 組件裡面，我們可以加入以下內容，使得我們可以嫁接原本要給 POSIX 系作業系統的 write 系統呼叫，變成轉給 OpenSBI 的控制台字元印出的呼叫：

diff --git a/src/runtime/os_opensbi.go b/src/runtime/os_opensbi.go                      [1/1806]
index c6b44995da..af9979a16b 100644                                                             
--- a/src/runtime/os_opensbi.go
+++ b/src/runtime/os_opensbi.go
@@ -15,8 +15,14 @@ func exit(code int32) {
        return
 }
  
+func write2(p uintptr)
 func write1(fd uintptr, p unsafe.Pointer, n int32) int32 {
-       return 0
+       if fd == 2 || fd == 1 {
+               for i := uintptr(0); i < uintptr(n); i++ {
+                       write2(uintptr(p) + i)
+               }
+       }
+       return n
 }

這裡針對檔案描述子（fd）為標準輸出或是標準錯誤的狀態，將每個字元指標傳給新增的 write2 函式。write2 函式則以組合語言實作，因為需要進行暫存器的操作：

diff --git a/src/runtime/sys_opensbi_riscv64.s b/src/runtime/sys_opensbi_riscv64.s
new file mode 100644
index 0000000000..ddf3897ffe
--- /dev/null
+++ b/src/runtime/sys_opensbi_riscv64.s
@@ -0,0 +1,11 @@
+#include "textflag.h"
+#include "go_asm.h"
+
+// func write2(p uintptr)
+TEXT runtime·write2(SB),NOSPLIT|NOFRAME,$0-8
+        MOV     p+0(FP), A0
+        LB      0(A0), A0
+        MOV     $1, A7
+        MOV     $0, A6
+        ECALL
+        RET

這裡新創造一個檔案來放這個函式。將 p 中的指標先傳出來到 A0，再從這個位置讀出一個字元到 A0。A7 與 A6 則與先前的使用方式相同。

相關的實驗可以使用已經更新的 Hoddarla 得到。

重新編譯並執行，獲得的結果像是：

Boot HART MIDELEG         : 0x0000000000000222
Boot HART MEDELEG         : 0x000000000000b109
Hfatal error: runtime: cannot allocate memory
runtime stack:
runtime.throw({0xffffffc000064338, 0x1f})    
        /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/panic.go:1198 +0x60 fp=0xffffffc000001e4
8 sp=0xffffffc000001e20 pc=0xffffffc00002f490
runtime.persistentalloc1(0x100, 0x8, 0xffffffc0000d8798)
        /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/malloc.go:1413 +0x2c0 fp=0xffffffc000001
e90 sp=0xffffffc000001e48 pc=0xffffffc00000a0f0
runtime.persistentalloc.func1()
        /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/malloc.go:1367 +0x44 fp=0xffffffc000001e
c0 sp=0xffffffc000001e90 pc=0xffffffc000009e14
runtime.persistentalloc(0x100, 0x8, 0xffffffc0000d8798)
        /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/malloc.go:1366 +0x68 fp=0xffffffc000001f
00 sp=0xffffffc000001ec0 pc=0xffffffc000009db8
runtime.(*addrRanges).init(0xffffffc0000d0d18, 0xffffffc0000d8798)
        /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/mranges.go:170 +0x4c fp=0xffffffc000001f
28 sp=0xffffffc000001f00 pc=0xffffffc00002a1dc
runtime.(*pageAlloc).init(0xffffffc0000c0c88, 0xffffffc0000c0c80, 0xffffffc0000d8798)
        /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/mpagealloc.go:314 +0x8c fp=0xffffffc0000
01f48 sp=0xffffffc000001f28 pc=0xffffffc000023b84
runtime.(*mheap).init(0xffffffc0000c0c80)
        /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/mheap.go:726 +0x5dc fp=0xffffffc000001f6
8 sp=0xffffffc000001f48 pc=0xffffffc000020cf4
runtime.mallocinit()
        /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/malloc.go:481 +0x100 fp=0xffffffc000001f
88 sp=0xffffffc000001f68 pc=0xffffffc000008050
runtime.schedinit()
        /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/proc.go:689 +0x6c fp=0xffffffc000001fe0 
sp=0xffffffc000001f88 pc=0xffffffc0000325d4
runtime.rt0_go()
        /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/asm_riscv64.s:56 +0x9c fp=0xffffffc00000
2000 sp=0xffffffc000001fe0 pc=0xffffffc000052624
I000000000000000f
0000000000000000
ffffffc00002f6d0

大獲成功！之後就可以因此多一種除錯工具了。

補充：Golang 提供的除錯支援

Golang 實際上有提供腳本，讓除錯器更容易以符號的方式除錯。該腳本位在 src/runtime/runtime-gdb.py，使用時只需：

(gdb) source /home/noner/FOSS/hoddarla/ithome/go/src/runtime/runtime-gdb.py
Loading Go Runtime support.

就可以進行以下操作，比方說函數反組譯：

(gdb) x/10i 'runtime.throw'
   0xffffffc000034a20 <runtime.throw>:  sd      ra,-40(sp)
   0xffffffc000034a24 <runtime.throw+4>:        addi    sp,sp,-40
   0xffffffc000034a28 <runtime.throw+8>:        sd      zero,16(sp)
   0xffffffc000034a2c <runtime.throw+12>:       sd      zero,24(sp)
   0xffffffc000034a30 <runtime.throw+16>:       sd      zero,32(sp)
   0xffffffc000034a34 <runtime.throw+20>:       auipc   gp,0x0
   0xffffffc000034a38 <runtime.throw+24>:       addi    gp,gp,100
   0xffffffc000034a3c <runtime.throw+28>:       sd      gp,16(sp)
   0xffffffc000034a40 <runtime.throw+32>:       ld      gp,48(sp)
   0xffffffc000034a44 <runtime.throw+36>:       sd      gp,24(sp)

或是窺探資料結構內容：

(gdb) p/x 'runtime.g0'
$2 = {stack = {lo = 0xffffffbfffff1fe0, hi = 0xffffffc000001fe0}, 
  stackguard0 = 0xffffffbfffff2380, stackguard1 = 0xffffffbfffff2380, _panic = 0x0, 
  _defer = 0x0, m = 0xffffffc0001195e0, sched = {sp = 0xffffffc000001fb8, 
    pc = 0xffffffc000039ea8, g = 0xffffffc000119440, ctxt = 0x0, ret = 0x0, lr = 0x0, 
    bp = 0x0}, syscallsp = 0x0, syscallpc = 0x0, stktopsp = 0x0, param = 0x0, 
  atomicstatus = 0x0, stackLock = 0x0, goid = 0x0, schedlink = 0x0, waitsince = 0x0,
  ...

需注意單引號（'），一定要加才能夠正常除錯。它可以保護 Golang 符號裡面常常出現的、表達從屬關係的運算元（.）。這在表達 Golang 符號的時候是很重要的元素，因為它連接了符號與所屬的組件。所以儘管 GDB 本身也使用 . 符號作為結構與成員之間的從屬運算元，衝突的語意就可以被消弭。

小結

予焦啦！除了在除錯方面導入兩個小技巧（串接 throw 的顯示與啟用 Golang 除錯支援）之外，今天簡單預習了 Golang 的記憶體管理抽象層設計，我們應當可以考慮將記憶體管理實作在這裡。但畢竟 Golang 原本都是建立在完整的作業系統之上，所以這裡該如何設計？今天的這個例子是，呼叫端 persistentalloc1 傳遞給 sysAlloc 的建議用指標是 nil，也就是說，它只需要取得一個作業系統已經處理好的區塊，其餘一概沒有意見。但我們這裡還沒有什麼機制可以決定，到底該怎麼分配記憶體才好？在實體記憶體的哪個位置？該分配哪裡的虛擬記憶體位址給它？

看來，我們接下來要正式解決的話，必須先實作 sysAlloc 已降的 Golang 記憶體抽象層功能才行。我們已經開始面臨一些不單純的衝突，但這是早先就已經預見的。無論如何，各位讀者，我們明天再會！