# 操作系统实践

**Repository Path**: tianfengll/operating-system-practice

## Basic Information

- **Project Name**: 操作系统实践
- **Description**: 操作系统综合实践11
- **Primary Language**: Unknown
- **License**: MIT
- **Default Branch**: master
- **Homepage**: None
- **GVP Project**: No

## Statistics

- **Stars**: 0
- **Forks**: 0
- **Created**: 2026-09-01
- **Last Updated**: 2026-09-19

## Categories & Tags

**Categories**: Uncategorized

**Tags**: None

## README

# xv6-RISC-V 进程沙箱与系统调用审计

> 操作系统综合实践课程项目｜基于 MIT xv6-riscv 改造

本项目在 xv6-RISC-V 上实现了一个进程级沙箱原型：进程可安装不可放宽的系统调用白名单，并设置子进程、文件描述符和内存配额。内核同时记录系统调用审计日志，供用户态读取和核对。

## 项目完成内容

- **系统调用白名单**：沙箱进程只允许执行位图中指定的系统调用；被拒绝的调用返回 `-1` 并记录为 `AUDIT_DENIED`。
- **未知调用处理**：非法系统调用号返回 `-1`，记录为 `AUDIT_UNKNOWN`，不会导致内核崩溃。
- **一次性策略安装**：`sandbox_enter()` 只能成功一次，进程不能自行撤销或放宽已有策略。
- **策略继承与生命周期**：fork 后子进程继承白名单和资源上限；进程槽位创建、回收与复用时清理沙箱状态，避免残留。
- **资源配额**：限制子进程数、打开 fd 数和内存上限；`sbrk()` 与 `sbrklazy()` 都受内存配额约束。
- **审计日志**：记录 `BASELINE`、`ALLOWED`、`DENIED`、`QUOTA`、`UNKNOWN` 五类事件；固定大小环形缓冲满载后覆盖最旧记录。
- **多核审计快照**：写入与快照复制由锁保护，先在锁内取得一致快照，再在锁外复制到用户态，避免并发读写导致记录混杂。

## 系统结构

```text
用户程序
  │  sandbox_enter / audit_read / sandbox_status
  ▼
系统调用分发 syscall()
  ├─ 未进入沙箱：正常执行，记录 BASELINE
  ├─ 白名单允许：正常执行，记录 ALLOWED
  ├─ 白名单拒绝：返回 -1，记录 DENIED
  └─ 未知编号：返回 -1，记录 UNKNOWN
  │
  ├─ fdalloc() ─────── fd 配额检查
  ├─ kfork() ───────── 子进程配额检查
  └─ growproc/sys_sbrk 内存配额检查（eager / lazy）
  ▼
审计环形缓冲区（256 条）── audit_read() / sandbox_status()
```

## 快速开始

项目应在 **WSL/Linux** 中构建和运行。Windows PowerShell 中没有 `make` 是正常现象；先进入 WSL。

```bash
cd "/mnt/e/schoollesson/大三上/操作系统综合实践/xv6-riscv"
riscv64-unknown-elf-gcc --version
qemu-system-riscv64 --version

make TOOLPREFIX=riscv64-unknown-elf- qemu CPUS=1
```

出现 xv6 的 `$` 提示符后，可输入：

```text
t2test          # T2：未进入沙箱的普通进程不受影响
t3test          # T3：沙箱字段继承、清理与进程槽位复用
syscalltest      # T4–T8：白名单允许、拒绝、未知调用、策略锁定、fork/exec 继承
quotatest        # T9–T13：fd、child、eager/lazy 内存配额及回收
audittest        # T14–T17：审计读取、非法地址、监控调用、环形缓冲满载
m3stress         # T18：审计读写与配额的综合压力测试
m3audit          # 审计类型和状态快照的集成验证
usertests        # xv6 官方完整回归
```

退出 QEMU：按 `Ctrl+A`，松开后按 `X`。

## 自动化测试与复现

以下命令在 WSL 的项目根目录执行：

```bash
# 甲负责的核心联调：T2、T3、T11、T12、T13；CPUS=1 和 CPUS=3
sh scripts/run_m3_core.sh

# M3 快速/完整回归：覆盖功能、审计、压力和单核/三核组合
python3 scripts/run_m3.py --quick
python3 scripts/run_m3.py

# 性能矩阵：原版 / 改造版审计关闭 / 改造版审计开启
python3 scripts/run_m3_performance.py
```

自动化脚本会将原始运行日志写入 `artifacts/m3/`，不会用“重试成功”覆盖原始失败记录。

## M3 验收摘要

最终验收提交：`f6ab33a`；M3 标签：`m3`。

| 项目 | 结果 |
|---|---|
| 快速回归（CPUS=1 / 3） | 22/22 PASS |
| xv6 官方 `usertests` | CPUS=1 PASS；CPUS=3 干净镜像复验 PASS |
| 多核审计压力 | `malformed=0`、`backwards=0`、`worker_failures=0` |
| 审计开销（T20） | CPUS=1、3 的中位数均为 7.69% |
| 原版对照（T21） | 原版、审计关闭、审计开启均完成 3 次固定运行 |

性能测试每次预热 2000 次后执行 200000 次 `uptime`。由于 xv6 tick 粒度较粗，百分比用于本机横向比较，不应外推为绝对性能结论。历史异常、根因与复验记录见[已知问题（M3）](docs/已知问题-M3-20260916.md)。

## 项目文档

| 文档 | 内容 |
|---|---|
| [文档目录](docs/README.md) | 文档索引 |
| [详细工作说明](docs/详细工作说明.md) | 模块边界、交付要求与联调事项 |
| [分工计划与 T1–T23 测试矩阵](docs/分工计划-9月4日至17日.md) | 任务安排、接口约定、通过标准 |
| [开发与测试复现](docs/开发与测试复现.md) | WSL 环境、构建、测试与提交方法 |
| [甲：沙箱核心设计说明](docs/甲-沙箱核心设计说明-20260915.md) | 进程状态、白名单、配额接线与错误路径 |
| [M2 集成测试报告](docs/M2-集成测试报告-20260910.md) | M2 集成结果与测试证据 |
| [M3 已知问题与复验记录](docs/已知问题-M3-20260916.md) | 多核快照修复、三核复验与性能数据边界 |

## 目录说明

```text
kernel/      内核实现：系统调用分发、沙箱、配额和审计
user/        用户态接口、功能测试与压力测试
scripts/     WSL 下的构建、回归和性能自动化脚本
docs/        设计说明、分工计划、测试报告与已知问题
artifacts/   自动化测试生成的原始日志和结果数据
```

## 协作约定

开发在 `dev/*` 分支进行，完成自测后通过 PR 合并到 `main`。提交前请确认：

```bash
git status --short
git diff --check
git log --oneline -5
```

不要提交 `kernel/kernel`、`fs.img` 等构建产物；测试结论应附带执行版本、CPU 配置、命令、原始日志位置和已知问题。

## 开源基础

本项目基于 [MIT xv6-riscv](https://github.com/mit-pdos/xv6-riscv) 教学操作系统改造，遵循仓库内 [MIT License](LICENSE)。