[操作系统]ucore lab5 用户进程管理 学习笔记

近几日睡眠质量不佳,脑袋一困就没法干活,今天总算时补完了.LAB5难度比LAB4要高,想要理解所有细节时比较困难.但毕竟咱不是要真去写一个OS,所以一些个实现细节就当成黑箱略过了.
这节加上了用户进程,主要逻辑是:idle_proc内核线程–子进程–>init_proc内核线程–子进程–>user_main内核线程–load_icode–>exit用户进程–子进程–>新的用户进程,然后再逐级释放

init_main: 在init内核线程中创建user_main内核线程

user_mem_check: 顾名思义.

copy_mm: 把当前进程的mm和对应的物理内存全部做拷贝,添加到指定进程的mm中.使用了dup_mmap

dup_mmap: 把mm从from拷贝到to,使用了copy_range

copy_range: 把pde_t的对应物理内存从from拷贝到to

接下来就是各种状态的转换:

/*
process state changing:
                                            
  alloc_proc                                 RUNNING
      +                                   +--<----<--+
      +                                   + proc_run +
      V                                   +-->---->--+ 
PROC_UNINIT -- proc_init/wakeup_proc --> PROC_RUNNABLE -- try_free_pages/do_wait/do_sleep --> PROC_SLEEPING --
                                           A      +                                                           +
                                           |      +--- do_exit --> PROC_ZOMBIE                                +
                                           +                                                                  + 
                                           -----------------------wakeup_proc----------------------------------
*/

do_wait: 如果指定子进程为僵尸态,则释放子进程资源(线程表,PCB,内核栈);否则自身进入等待态

do_execve: 释放当前进程的mm,调用load_icode载入指定的程序

do_fork: 创建当前进程的子进程,并拷贝对应内存区域.trapframe,stack可以单独指定

do_exit:
释放当前进程资源
如果当前进程的父进程为WT_CHILD状态,则唤醒之
把当前进程的所有子进程都过继给initproc,如果哪个子进程是个ZOMBIE,则唤醒initproc

do_kill: 将指定进程的flags设为PF_EXITING,等待被exit

do_yield: 将当前进程的need_resched置一

load_icode: 当前进程的mm为空时,将内存中指定的ELF程序文件进行展开并作为当前进程的新内容,并更新为用户态特权级

syscall巧妙的运用了函数指针数组便于用户态使用

static int (*syscalls[])(uint32_t arg[]) = {
    [SYS_exit]              sys_exit,
    [SYS_fork]              sys_fork,
    [SYS_wait]              sys_wait,
    [SYS_exec]              sys_exec,
    [SYS_yield]             sys_yield,
    [SYS_kill]              sys_kill,
    [SYS_getpid]            sys_getpid,
    [SYS_putc]              sys_putc,
    [SYS_pgdir]             sys_pgdir,
};

#define NUM_SYSCALLS        ((sizeof(syscalls)) / (sizeof(syscalls[0])))

void
syscall(void) {
    struct trapframe *tf = current->tf;
    uint32_t arg[5];
    int num = tf->tf_regs.reg_eax;
    if (num >= 0 && num < NUM_SYSCALLS) {
        if (syscalls[num] != NULL) {
            arg[0] = tf->tf_regs.reg_edx;
            arg[1] = tf->tf_regs.reg_ecx;
            arg[2] = tf->tf_regs.reg_ebx;
            arg[3] = tf->tf_regs.reg_edi;
            arg[4] = tf->tf_regs.reg_esi;
            tf->tf_regs.reg_eax = syscalls[num](arg);
            return ;
        }
    }
    print_trapframe(tf);
    panic("undefined syscall %d, pid = %d, name = %s.\n",
            num, current->pid, current->name);
}

承接LAB4,当执行到init_main时,会创建user_main内核线程,并使init_main进入等待态调度user_main
调度完成后的函数调用栈为:
kernel_thread_entry->user_main->__alltraps->trap->trap_dispatch->syscall->sysexec->do_execve
这一过程最终将user/exit.c的代码载入到了user_main内核线程中,并将其转化为了用户进程exit,且拥有独立的mm
载入完成后输出信息:
kernel_execve: pid = 2, name = "exit".
因为载入代码这一过程是运行时发生的,所以GDB无法跟踪调试
通过分析可知,ELF程序的入口代码位于user/libs/initcode.S中,主要功能是调用了umain
umain.c功能是调用main函数,并在返回后exit()
main函数则位于exit.c中

int
main(void) {
    int pid, code;
    cprintf("I am the parent. Forking the child...\n");
    if ((pid = fork()) == 0) {
        cprintf("I am the child.\n");
        yield();
        yield();
        yield();
        yield();
        yield();
        yield();
        yield();
        exit(magic);
    }
    else {
        cprintf("I am parent, fork a child pid %d\n",pid);
    }
    assert(pid > 0);
    cprintf("I am the parent, waiting now..\n");

    assert(waitpid(pid, &code) == 0 && code == magic);
    assert(waitpid(pid, &code) != 0 && wait() != 0);
    cprintf("waitpid %d ok.\n", pid);

    cprintf("exit pass.\n");
    return 0;
}

首先输出信息:
I am the parent. Forking the child...
调用fork()创建子进程,调用栈为:
user/exic.c::main->fork->sys_fork->syscall(SYS_fork)->触发中断SYS_CALL,参数为SYS_fork
以上部分都在user/文件夹下,即在用户态下运行,触发系统调用类型的中断后切换到内核态(对应kern/文件夹)继续执行,__alltraps->trap->dispatch_trap->syscall->sys_fork
此时创建出了3号进程,二者都运行到了if ((pid = fork()) == 0) {这行代码.
对于父进程:fork()返回值为子进程PID
对于子进程:fork()返回值为0
输出信息:
I am parent, fork a child pid 3
I am the parent, waiting now..
父进程调用wait(pid,&code),以fork()类似的形式触发系统调用,最终进入等待态
子进程被调度,输出信息:
I am the child.
然后子进程调用exit()触发系统调用,释放自身资源,并进入僵尸态.
因为父进程处于WT_CHILD状态,所以被唤醒,有如下信息:
waitpid 3 ok.
exit pass.
main()返回到umain()中,调用exit回收进程资源,并重新调度到init_proc,输出如下信息:
all user-mode processes have quit.
init check memory pass.
kernel panic at kern/process/proc.c:447:
initproc exit.

至此整个LAB 5分析完毕