Zig错误返回跟踪

背景

在使用 Zig 编写 Riscv freestanding 的用户态/内核态切换相关代码时，遇到了在进入系统调用时遇到了访问栈顶指针从而出现 Page Fault 的异常问题。

问题解析

异常

通过单步调试与汇编分析注意到在即将执行系统调用时，会有以下汇编。

0000000080218954 <syscall.sys_exec>:
	...
	80218966:→  6108                →   ld→ a0,0(a0)
	...

sys_exec函数声明如下：

1
2
3

fn sys_exec() u64 {
	...
}

通过调试发现此时a0寄存器的值为内核栈栈顶指针，以下是内存布局（参考xv6）:


├─────────────────────┤
│   Trampoline Page   │ 用户态↔内核态切换代码
├─────────────────────┤ MAXVA - PGSIZE (实际 proc 0 -> 0x3ffffe000)
│    Kernel Stack     │ 每个进程的内核栈
├─────────────────────┤
|        ...          |
├─────────────────────┤

而栈顶指针是不会进行映射的，所以会造成页面错误。
问题追踪到这里，已经知晓了异常的原因是页面访问错误，且访问地址是内核栈栈顶。那接下就需要了解为什么会是这个地址？

优化等级

该地址的赋值是由于在用户态访问跳板进入内核态时的汇编实现uservec会将a0寄存器恢复成栈顶指针，但这有另一个问题是为什么在没有用到参数的函数上会生成访问a0寄存器的汇编代码。
在实验过程中，我一直都是使用Zig编译系统的Debug编译优化等级，原因是未指定优化等级时默认即此。
const optimize = b.standardOptimizeOption(.{});
在尝试使用ReleaseSmall/ReleaseFast时发现没有异常的问题。检查对应生成的汇编代码也没有了访问a0寄存器的指令。

Error Return Trace

在查看Zig文档中，注意到这个与语言特性相关的内容，并经过了解发现在Release/Debug的优化等级上确实有不同的结果。通过编译参数来指定关闭这个特性

1	zig build-exe xxx.zig -target riscv64-freestanding -O Debug -fno-error-tracing

在禁用该特性后，确实不会页面访问异常。

Error Return Trace

Zigzig错误返回跟踪，会在函数调用时在生成这样结构的结构体隐形参数。

This is to initialize this struct in the stack memory:

pub const StackTrace = struct {
    index: usize,
    instruction_addresses: [N]usize,
};

A pointer to StackTrace is passed as a secret parameter to every function that can return an error, but it’s always the first parameter, so it can likely sit in a register and stay there.
为什么仅仅在Debug模式下会开启，文档有如下描述：
Error Return Traces are enabled by default in Debug builds and disabled by default in ReleaseFast, ReleaseSafe and ReleaseSmall builds.

使用C函数约定时的差异：

C函数不返回错误
不需要追踪错误路径
因此不会产生访问a0的汇编代码

解决方法

调整编译优化等级为Release
使用C函数约定声明汇编与Zig函数的交互函数

错误总结

对于用户态切换，从用户态到内核态的syscall,
a0寄存器会被赋值为TRAPFRAME，进程内核栈栈顶，此处没有被映射。
在 Debug 优化模式下，会通过a0存储一个ErrorReturnTrace的隐式结构指针，用于错误异常路径存储。
但这在Freestranding下的cpu状态切换时不一定会定义有效的a0地址导致访问一个内核态中没有映射的虚拟地址，从而报错。

参考

Error Return Trace