对一个简单的时间片轮转多道程序内核代码的浅析

这周在网易云课堂上学习了《Linux内核分析》——操作系统是如何工作的。本周学习内容有利用 mykernel 实验模拟计算机平台和利用 mykernel 实验模拟计算机硬件平台两部分内容。

 

这是实验楼中 mykernel 平台运行的结果：

 

下面是一段一个简单的时间片轮转多道程序内核代码：

 1 /*
 2  *  linux/mykernel/myinterrupt.c
 3  *
 4  *  Kernel internal my_timer_handler
 5  *
 6  *  Copyright (C) 2013  Mengning
 7  *
 8  */
 9 #include <linux/types.h>
10 #include <linux/string.h>
11 #include <linux/ctype.h>
12 #include <linux/tty.h>
13 #include <linux/vmalloc.h>
14 
15 #include "mypcb.h"
16 
17 extern tPCB task[MAX_TASK_NUM];
18 extern tPCB * my_current_task;
19 extern volatile int my_need_sched;
20 volatile int time_count = 0;
21 
22 /*
23  * Called by timer interrupt.
24  * it runs in the name of current running process,
25  * so it use kernel stack of current running process
26  */
27 void my_timer_handler(void)
28 {
29 #if 1
30     if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1)
31     {
32         printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<\n");
33         my_need_sched = 1;
34     } 
35     time_count ++ ;  
36 #endif
37     return;      
38 }
39 
40 void my_schedule(void)
41 {
42     tPCB * next;
43     tPCB * prev;
44 
45     if(my_current_task == NULL 
46         || my_current_task->next == NULL)
47     {
48         return;
49     }
50     printk(KERN_NOTICE ">>>my_schedule<<<\n");
51     /* schedule */
52     next = my_current_task->next;
53     prev = my_current_task;
54     if(next->state == 0)/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
55     {
56         /* switch to next process */
57         asm volatile(    
58             "pushl %%ebp\n\t"         /* save ebp */
59             "movl %%esp,%0\n\t"     /* save esp */
60             "movl %2,%%esp\n\t"     /* restore  esp */
61             "movl $1f,%1\n\t"       /* save eip */    
62             "pushl %3\n\t" 
63             "ret\n\t"                 /* restore  eip */
64             "1:\t"                  /* next process start here */
65             "popl %%ebp\n\t"
66             : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
67             : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
68         ); 
69         my_current_task = next; 
70         printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);       
71     }
72     else
73     {
74         next->state = 0;
75         my_current_task = next;
76         printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);
77         /* switch to new process */
78         asm volatile(    
79             "pushl %%ebp\n\t"         /* save ebp */
80             "movl %%esp,%0\n\t"     /* save esp */
81             "movl %2,%%esp\n\t"     /* restore  esp */
82             "movl %2,%%ebp\n\t"     /* restore  ebp */
83             "movl $1f,%1\n\t"       /* save eip */    
84             "pushl %3\n\t" 
85             "ret\n\t"                 /* restore  eip */
86             : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
87             : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
88         );          
89     }   
90     return;    
91 }

View Code

这段代码负责中断处理，接下来我们对其进行解析。

 

对于前20行，都是引用一些 linux 本地的库文件和对一些变量进行引用，如果读者有兴趣请自行上 Google 或 Bing 或百度查询。

 

首先分析 my_timer_handler() 函数。这个函数在每次内存中断时都来调用此函数。这个函数做的就是在 time_count 为1000的倍数并且标记 my_need_sched != 1 时( 判断次进程是否在运行 )输出一句话。

 

接下来分析 my_schedule() 函数。这个函数是整个中断函数的重点。前面的几行是在进行状态的检查和状态的初始化，并将当前进程状态和下一个即将运行的进程的状态导入到 prev 和 next 中。在这段函数中 54 - 89 行这段 if-else 是重点，这段嵌入了汇编语言并描述了系统如何进行中断处理，知识点比较多。

当程序正在运行时执行 if 语句块，当程序暂停运行时或者之前未被运行刚被启动时执行 else 语句块。

首先分析 if 语句块中的内容。asm 代表了嵌入汇编语句，volatile 表示告诉编译器不要对代码进行优化。在括号内的内容就是汇编代码了。pushl %%ebp 这条语句( 首先因为在 C语言 的字符串表示中，'%'是一个转义字符，所以需要两个'%'来表示'%'的意思。 )，这句话将当前进程的执行栈栈底压栈存储。movl %%esp, %0 这条语句( 如果读者学过 C语言 的话应该可以理解，C语言 中的数组下标是从0开始的，所以这里%0就指66行的第一个变量，以此类推。 )将栈顶赋值给第66行的 "=m" (prev->thread.sp)，这就将当前的栈顶 esp 保存下来了而没有进行压栈( 等会解释为何没有压栈 )。下面一句是将第67行的 "m" (next->thread.sp) 内容提取出来赋值给 esp，这里将栈顶转换后就等价于做了一次进程的转换( 因为执行栈变换了 )。接下来将64行的 1: 这个标记赋值给了第66行的 "=m" (prev->thread.ip)，等价于将当前eip存储下来，但是并未压栈。pushl %3 这句将第67行的 "m" (next->thread.ip) 压栈，然后下一句 ret 将这个压入的 eip 弹栈，这就意味着切换到新的进程并开始工作了，而当前的进程的状态被保存到了 pre 这个变量里面( 第59、61行的操作 )。接下来将当前进程 my_current_task 切换到 next，继续执行 next 中剩下的操作。

当我们在分析这段代码时发现这个很像是函数的调用，有对 ebp 的压栈处理，有对 eip 的压栈弹栈处理。其实我们可以将进程之间的切换大致的类比到函数的调用上，只不过这里没有进行真正函数的调用，而是将函数调用的开头和结尾拿过来直接用的，这里62行和63行的处理很巧妙，将下一个进程的 eip 先压入栈中，然后通过 ret 操作激活并执行。这也就解释了为何原先的进程中的 esp 没有被压入栈中而存储在了 %0 和 %1 中了。

接下来我们分析下 else 语句块中的内容。我们可以发现这里面的内容和 if 语句块中的内容十分相似，但是也有不同，不同点就在第82行和第86行。我们发现第82行多了将第87行中的 "m" (next->thread.sp) 赋值给 ebp，这一操作等价于为这个新的进程或者被唤醒的进程新建立了一个执行栈，用于这个进程的执行。在第86行不是 1: 了，因为这个进程刚刚建立，还没有执行，eip 现在并没有指向这个进程中的任何一行，自然就不用把当前 eip 存储下来了。

 

总结：

通过这一周的学习，掌握了许多知识，了解了一些内核中断的知识，明白了点内核中断的原理。

依个人目前理解的程度看，操作系统在多进程并行执行时在多个进程中通过“中断”操作进行不断的及其快速的跳转来实现我们理解的进程并行计算。

 

作者：李若森

原创作品转载请注明出处

引用内容来自：《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000