从零开始写 OS 内核 - 进入用户态

系列目录

• 序篇
• 准备工作
• BIOS 启动到实模式
• GDT 与保护模式
• 虚拟内存初探
• 加载并进入 kernel
• 显示与打印
• 全局描述符表 GDT
• 中断处理
• 虚拟内存完善
• 实现堆和 malloc
• 第一个内核线程
• 多线程运行与切换
• 锁与多线程同步
• 进入用户态
• 进程的实现
• 系统调用
• 简单的文件系统
• 加载可执行程序
• 键盘驱动
• 运行 shell

用户态线程

在前面几篇中，我们已经启动了 kernel 线程并实现了 multi-threads 调度运行。接下来我们需要启动用户线程，毕竟这个 OS 是提供给用户使用的，将来的大多数 thread 也将是用户态的。

这里需要明晰一下 user 和 kernel 的 thread / stack 之间的关系，可能有的同学对此缺乏一个直观的认知。

• 每一个 user thread 都会有 2 个 stack，分别是 user 空间的 stack 和 kernel 空间的 stack；
• 正常情况下的 user thread，运行在 user stack 上；
• 当发生中断时（包括 interrupt / exception / soft int），执行流跳转到该 thread 的 kernel stack 开始执行中断 handler，执行完毕后再返回到 user stack 恢复执行；

从 kernel thread 启动

需要明确一点，user thread 不是凭空出现的，本质上它仍然需要从 kernel thread 开始运行，然后跳转到用户的 code + stack 上运行。所以这里首先回顾一下 kernel thread 启动的过程，在第一个内核线程一篇中详细讲解过。这里最核心的工作是对 kernel stack 的初始化，我们构建了如下图所示的一个 stack：

然后从 resume_thread 指令处开始运行，stack 初始位置从 kernel_esp 开始 pop，初始化了各个通用寄存器，并且经过 ret 指令跳转到函数 kernel_thread 开始运行。可以看到 kernel 线程最终是进入 kernel_thread 这个工作函数运行的，并且始终运行在 kernel stack 中（浅蓝色部分）。

如何转入 user 态

从 kernel 进入 user 态，这里要解决两个问题：

• 如何跳转到 user 代码运行，这里需要变换 CPU 特权级，从 0 -> 3；
• 如何跳转到 user stack，它在 3GB 以下 user 空间；

对于问题 1，需要提醒一下，这不是一个普通的 jmp 或者 call 指令就可以做到的。x86 的架构下 CPU 特权级降低的唯一办法是从中断返回，即 iret 指令；

对于问题 2，需要注意进入 user 空间的 stack，需要改变 ss 寄存器的值，是之指向 user 的 data segment（你可能需要复习一下 segment 相关的知识，在全局描述符表 GDT一篇中初始化过）；

所以本质上用户 thread 的初始化就是模拟一次从中断返回的过程，如果你还记得中断处理一篇中的中断 stack 的结构：

中断 stack 由两部分构成，一部分是 CPU 自动 push 的 registers，一部分是我们在中断 handler 启动时 push 的，整个中断 stack 用如下 struct 描述：

typedef struct isr_params {
  uint32 ds;
  uint32 edi, esi, ebp, esp, ebx, edx, ecx, eax;
  uint32 int_num;
  uint32 err_code;
  uint32 eip, cs, eflags, user_esp, user_ss;
} isr_params_t;

typedef isr_params_t interrupt_stack_t;

这里我们将它重定义为 interrupt_stack_t 结构，以后以此来表示中断 stack；

注意一下 CPU 自动 push 的 stack 部分，它实际上就已经解决了上述两个问题：

• user 代码，保存在了 cs 和 eip 中；
• user stack 的位置，保存在了 user esp 和 user ss 中；

一旦调用 iret，上述保存的数据就会自动 pop 出来并跳转，所以我们实际上只要在 kernel stack 里构建一个上述的 interrupt_stack_t 结构，并且设置好这些值，通过一次模拟中断返回，使之能帮助我们“返回”到 user 态。

按惯例，给出本篇的主要源代码，主要是以下几个函数：

• create_new_user_thread
• init_thread
• prepare_user_stack

它们之间是依次调用的关系，init_thread 函数在启动 kernel thread 那一篇已经用到过，它既用来初始化 kernel thread，现在也用来进一步初始化 user thread，用一个参数开关 user 控制，因为 user thread 也必须以 kernel thread 为基础演化而来。

准备 kernel stack

这里先回顾下 kernel 线程中对 kernel stack 的初始化：

注意上方虚线部分的 user interrupt stack，之前在启动 kernel thread 时我们并没有触及这一块区域，因为 kernel 线程用不到它，而现在我们就需要将它填充为上面的 interrupt_stack_t 结构。

来看 init_thread 函数对这一部分的初始化：

interrupt_stack_t* interrupt_stack =
    (interrupt_stack_t*)((uint32)thread->kernel_esp
                         + sizeof(switch_stack_t));
// data segemnts
interrupt_stack->ds = SELECTOR_U_DATA;
// general regs
interrupt_stack->edi = 0;
interrupt_stack->esi = 0;
...
// user-level code env
interrupt_stack->eip = (uint32)function;
interrupt_stack->cs = SELECTOR_U_CODE;
interrupt_stack->eflags =
    EFLAGS_IOPL_0 | EFLAGS_MBS | EFLAGS_IF_1;
// user stack
interrupt_stack->user_ss = SELECTOR_U_DATA;

首先正确定位了 interrupt_stack 的位置，即初始 kernel_esp 上方加一个switch_stack_t 结构大小的位置处；

接下来就是对 interrupt stack 中各个 register 的初始化了:

• ds 初始化为 user 空间的 data segment；
• 通用寄存器初始化为 0；
• cs 初始化为 user 空间的 code segment；
• eip 初始化为 user thread 的工作函数，这是创建 thread 时传进来的；
• eflags 初始化；
• user_ss 也初始化为 user 空间的 data segment；
• user_esp 没初始化，它去哪里了?！这里暂时不初始化，因为 user stack 的位置还待定，它的初始化工作也会放在后面再讲；

启动运行 thread

上面讲过了，user thread 的运行也需要从 kernel thread 开始，所以它们启动的方式是一样的，区别在于 thread_entry_eip 的设置，这里是整个 thread 最初始的入口。

作为对比，如果是运行 kernel 线程，那么 thread_entry_eip 就是被设置为 kernel_thread 工作函数；而这里则被设置为 switch_to_user_mode 函数，来看它的代码，很简单：

switch_to_user_mode:
  add esp, 8
  jmp interrupt_exit

回顾一下 kernel 线程开始运行的过程，在 stack 上从 kernel_esp 位置开始，pop 所有通用寄存器，然后 ret 弹出跳转到 start_eip （即 thread_entry_eip）处，这里即跳转到了 switch_to_user_mode 函数；然后 add esp, 8 跳过两格没用的，使 esp 终于正确地到达了 user interrupt stack 位置：

然后开始执行 interrupt_exit 函数，它是中断处理函数 isr_common_stub 的下半部分，即退出中断并恢复中断发生前的 context：

interrupt_exit:
  ; recover the original data segment
  pop eax
  mov ds, ax
  mov es, ax
  mov fs, ax
  mov gs, ax

  popa
  ; clean up the pushed error code and pushed ISR number
  add esp, 8

  ; make sure interrupt is enabled
  sti
  ; pop cs, eip, eflags, user_ss, and user_esp by processor
  iret

结合 user interrupt stack 的结构图，可以看到它开始“恢复”（其实不是恢复，是我们初始化构造出来的）user context；它解决了之前提到的两个问题，本质上也是我们强调过的关于 thread 的两个核心要素：

• user 代码 (cs + eip)
• user 栈 (user ss + user esp)

当然 user context 里还包括了 user data segment，通用寄存器，eflags 等寄存器的初始值，这些都一并在这里初始化了。至此，user thread 的运行环境就初始化好了。

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这一章节，初看可能会觉得有点乱，你需要好好复习一下关于 segment 的相关内容，以及中断和 kernel 线程初始化和启动的过程。这里本质上要搞清楚 kernel stack 上的两个 stack 的作用：

• switch stack：这是 kernel 态下代码运行用的 stack，所有关于这个 thread 的 kernel 代码都在这里运行，并且 multi-threads 之间的 context switch 也发生在这里；
• interrupt stack：这是 user 态进入和退出 kernel 态的中断栈，是发生中断时由 CPU 和中断 handler 共同构建的；

user 线程的初始化运行过程，本质上就是分为了两步：

• 一开始，和 kernel 线程一样，初始化 kernel thread 运行的环境；
• 但是到了跳转 start_eip 的地方，原本的 kernel_thread 的运行函数被换成了 switch_to_user_mode 函数，由它开始模拟中断返回的过程，进入 interrupt stack，使之开始布置初始化 user context，并最终跳转到user 态的（code + stack）开始运行；

准备 user stack

上面准备完毕了 kernel stack，使之能以中断返回的形式，跳转进入用户 code + stack 上执行。不过我们的 user stack 还没准备好，这块区域也需要进行简单的初始化。

首先需要指定 user stack 的位置，一般来说它位于 3GB 空间的顶部区域：

user stack 的位置理应是由这个 thread 的 process 管理的，不过目前我们并未开始构建 process 相关的内容，这里作为测试，我们可以暂时随意指定 user stack 的位置。在实际的 create_new_user_thread 函数中，会传入参数 process，指定这个 thread 应该创建在哪一个 process 下，而 process 会为这个 user thread 分配一个 user 空间的 stack 位置。

tcb_t* create_new_user_thread(pcb_t* process,
                              char* name,
                              void* user_function,
                              uint32 argc,
                              char** argv);

这样同一个 process 下的多个 threads，它们的 user stack 大致是这样排布，不可以有重叠：

有了 user stack 的位置以后，我们就可以初始化这个 stack。user thread 的运行本质上是一次函数调用，所以它的 stack 初始化没有什么特殊之处，就是构建一个函数的调用栈，主要是两个部分：

• 参数
• 返回地址

接下来我们将这两部分内容初始化。

复制参数

参数是在 create_new_user_thread 函数就传入的 argc 和 argv。不过我们需要将他们 copy 到 user stack 上，这样 user_function 就可以以它们为参数运行起来，这其实就是我们平常的 C 程序里的 main 函数的形式：

int main(int argc, char** argv);

当然 main 函数只是进程的主 thread，如果在进程中继续创建新的 thread，本质上也是类似的形式，例如常用的 pthread 库，都会涉及到 thread 函数和参数的传递：

int pthread_create(pthread_t *thread,
                   pthread_attr_t *attr,
                   void *(*start_routine)(void *),
                   void *arg); 

复制参数的过程主要在函数 prepare_user_stack 中实现。这里涉及到参数 argv 的构建，它是一个字符串数组，所以我们先把 argv 里所有的字符串都 copy 到 user stack 的顶部，并记下它们的起始地址，使之构成一个 char* 数组，再让 argv 指向这个数组。指针之间的关系稍微有点绕，可以结合下图可以看一下：

thread 结束返回

最后还剩下一个 ret addr 没有设置，它是 thread 结束后的返回地址。

这里我们需要问自己一个问题，一个 thread 结束后，应该做什么？CPU 指令流当然要继续往下走，不能就此终止了，也不能跑飞了。所以 thread 工作函数返回后必然是跳转到某处，由 kernel 对它进行最后的回收工作，这个 thread 的生命周期就算结束了，然后 scheduler 调度运行下一个 thread。

其实这个问题之前也提到过的，在 kernel 线程中，之所以我们需要用函数 kernel_thread 封装一下，就是因为 thread 需要有一个统一的退出机制：

void kernel_thread(thread_func* function) {
  function();
  schedule_thread_exit();
}

schedule_thread_exit 就是 thread 结束后的退出机制，它不会返回，而是进入 kernel 的结束和回收流程。它的主要工作是将该 thread 的相关资源进行释放，然后标记自己状态为 TASK_DEAD，接下来调用 scheduler 调度服务，scheduler 发现它是 TASK_DEAD 就会将它清理，并调度运行下一个 thread。

所以我们是不是只要将 user stack 上的 thread 返回地址设置为 schedule_thread_exit 就 OK 了呢？答案是错误的。

因为 schedule_thread_exit 是 kernel 代码，user 态下是无法直接调用的，否则会报 segment 错误。user 空间的 code segment 范围被限定在了 3GB 以下，并且特权级 CPL 是 3，它不可能调用 3GB 以上，且 DPL 为 0 的 kernel 代码（你可能又需要去复习一下 segment 的内容）。

那么如何才能从 user 态进入 kernel 态并最终调用 schedule_thread_exit 函数呢？答案是中断，或者更准确地说，是 系统调用（system call）。关于系统调用的内容，将放在以后的文章中详细展开，在这里只需要知道，user 态下的 thread 结束方式，应该是运行一个大致是这样的函数：

void user_thread_exit() {
  // This is a system call.
  thread_exit();
}

系统调用 thread_exit 会带领我们进入 kernel 态，并最终来到 schedule_thread_exit 函数执行 thread 结束清理工作。

看上去很完美，然而这里又带来一个新的问题，上面的 user_thread_exit 只是我们假定的，或者说希望有这么一个函数。实际上 user 的程序代码是用户自己编写的，然后从磁盘上载入运行的，里面是否真的有这么一个函数，是 kernel 不可能知晓的。那我们实际上陷入了一个悖论，导致 kernel 永远无法为 user thread 设置一个有效的，user 态下可以调用的 类似 user_thread_exit 的函数，用于作为 user 线程的 ret addr。

对于这个问题，我也没有仔细研究过，不知道标准的解决方案是什么。我的实现方法是，完全摒弃 user stack 上的 ret addr，也就是说 user thread 的工作函数也永远不返回，而是封装成一个类似 kernel_thread 的函数里，例如叫 user_thread 好了：

void user_thread(thread_func* function，int argc, void** argv) {
  function(argc, argv);
  thread_exit();
}

但实际上我们无法强制用户按照这个规范去创建 user 线程，所以 user 态下的线程创建，不应该让用户直接操作底层的系统调用，而是应该由相应的规范的库函数去封装，例如 pthread，然后用户再去调用这些库函数，进行对 thread 的相关操作。在这些库函数里，它们会将用户传进来的工作函数 function 和参数，都封装到 user_thread 这样的符合规范的 user 线程函数中，然后再调用 OS 提供的，用于创建 thread 的系统调用。

那至于 main 函数，它也是一个线程，它的退出机制就比较好解决，也是类似的，必须将 main 也封装在一个函数中：

void _start(int argc, void** argv) {
  main(argc, argv);
  thread_exit();
}

_start 函数就是这个上层的封装函数，实际上它才是真正的用户程序的入口函数，它理论上应该由标准库提供，在 C 程序 link 时，将它链入并设置为 ELF 可执行文件的入口地址。

设置 tss

user 线程的初始化和结束工作都 OK 了，看上去一切准备就绪，不过其实还有一个遗漏的坑没填上。之前讲过 user 态下如果发生中断，CPU 会自动进入 kernel stack 进行中断处理（当然如果 user thread 永远不中断，那就没有这个需求，但这是不可能的。最典型的，时钟中断会持续不断地发生，page fault也是不可避免的）。

这个从 user 到 kernel 的跳转过程是 CPU 自动完成的，是由硬件决定的。那么问题来了，CPU 怎么知道这个 thread 的 kernel stack 在哪里呢？

答案是 tss（task state segment），关于这个东西实在是冗长繁琐，我也不想在这里赘述。目前只需要知道将这个结构设置到 gdt 中，并且将线程的 kernel stack 设置到它的 esp0 字段上即可，这样 CPU 每次陷入 kernel 态时，就会找到这个 tss 结构，并且按照 esp0 字段，定位 kernel stack 的位置。

• tss 初始化相关的代码在 write_tss 这个函数；
• 记得每次 thread 切换，scheduler 都需要更新 tss 的 esp0 字段的值，使之指向新 thread 的 kernel stack 的顶部（高地址）：

void update_tss_esp(uint32 esp) {
  tss_entry.esp0 = esp;
}

void do_context_switch() {
  // ...
  update_tss_esp(next_thread->kernel_stack + KERNEL_STACK_SIZE);
  // ...
}

总结

本篇的内容稍微有些复杂，也是关于 thread 的最终篇，涉及到的内容很广泛，可能需要复习 segment，中断，以及 kernel 线程创建+启动过程等内容，将它们串联起来。趟过了这一关，相信你会对 thread 在 OS 中的运行机制会有一个全面的理解，这包括以下几个关键点：

• user 和 kernel 线程 / stack 的关系，以及它们各自的作用；
• user 和 kernel 态的转换是如何发生和返回的，code + stack 如何跳转；
• kernel stack 在线程启动时，中断发生、处理和返回时，context switch 时的结构图，和它所发挥的作用；

下一篇，我们将在 thread 的基础上，定义进程（process） 的概念。