NPUcore-IMPACT¶

此部分是 Undefined-OS 与 NPUcore-IMPACT的分析与比较。

参考链接¶

Fediory/NPUcore-IMPACT: “全国大学生计算机系统能力大赛 - 操作系统设计赛(全国)- OS内核实现赛道龙芯LA2K1000分赛道” 一等奖参赛作品

简介¶

NPUcore-IMPACT 是西北工业大学 NPUcore-IMPACT!!! 队伍的冯宜湑、张瀚宸、张逸飞三位同学使用Rust编写的基于 LoongArch 架构的类Unix操作系统。

NPUcore-IMPACT 基于原先的 NPUcore(RISCV) 开发迭代并扩展，实现POSIX标准系统调用106个，支持信号机制及线程。

( NPUcore 是西北工业大学的操作系统内核构建实践型教学操作系统，曾获得2022年OSKernel大赛内核实现赛道一等奖，不支持LoongArch 架构)

分析和比较¶

参考 NPUcore-IMPACT 的仓库与文档，他们总共实现了106个 POSIX 标准系统调用，数量上来看和我们相仿。与 Undefined-OS 相比，主要特点是

进程/线程管理较简单
实现了写时复制（CoW）
实现了懒分配
实现了I/O 缓冲
适配了网络模块（但贡献主要属于同届的 NPUcore-重生之我是菜狗队伍）

写时复制（CoW）¶

在进行fork系统调用构造出新的进程时，不需要将父进程地址空间的全部内存拷贝一份，而是让子进程与父进程共享物理内存页，这样做的开销就只有修改页表。同时如果某个内存段是懒分配的内存段，便不需要共享物理页，直接新增一个虚拟地址内存段即可。

懒分配（lazy allocation）¶

在用户空间内存和文件映射区域的物理页分配时先在 虚拟地址空间建立映射关系，但物理页帧只在真正访问（发生缺页异常）时才分配 。

I/O 缓冲¶

NPUcore 文件系统实现了用于块设备和页缓存的 I/O 缓冲，提升磁盘访问效率。

Out Of Memory 处理¶

1.物理页分配失败时，自动回收与压缩/换出。

优先释放文件系统缓存，尝试回收当前进程的内存页，最后广播通知所有进程回收。

// allocator.rs
#[cfg(feature = "oom_handler")]
pub fn oom_handler(req: usize) -> Result<(), ()> {
    // step 1: clean fs
    let mut released = 0;
    released += fs::directory_tree::oom();
    if released >= req {
        return Ok(());
    }
    // step 2: clean current task's memory space
    let task = current_task().unwrap();
    if let Some(mut memory_set) = task.vm.try_lock() {
        released += memory_set.do_shallow_clean();
        log::warn!("[oom_handler] current task released: {}", released);
    }
    if released >= req {
        return Ok(());
    }
    // step 3: clean all tasks' memory space
    log::warn!("[oom_handler] notify all tasks!");
    crate::task::do_oom(req - released)
}

2.内核堆分配失败直接 panic

进程/线程管理¶

我们的进程/线程管理模块可参见 process.md ，实现了完整的四个层次管理。

而 NPUcore 则较简单，将进程与线程统一，用 tgid/tid 区分进程与线程，此外不做额外处理。

总体而言，NPUcore 在内存管理方面实现了一些我们没有的功能，文件系统没有明显区别，线程/进程部分实现的比较简单。

其文档中自述，由于是第一年开启LoongArch赛道，花了大量时间精力来适配 LoongArch 与开发板，所以除了“独自实现了2022版本的NPUcore到2k1000平台（龙芯架构）的适配，并封装为一个arch包，方便后人持续开发”与“基本完成了NPUcore在ext4文件系统的适配，但仍有少部分bug”外，其他方面贡献与创新有限。

我们对比 NPUcore 其实有不少可以改进的地方，主要是写时复制（CoW）和懒分配（lazy allocation）。