Linux内核分析 实验二 时间片轮转进程调度分析

程峰 原创作品转载请注明出处 《Linux内核分析》MOOC课程 http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

本文基于 GitHub 开源项目 mykernel，它实现了一个简单的时间片轮转进程切换功能，下面我们将详细分析其中的关键代码，了解具体的执行过程。

mypcb.h

头文件mypcb.h中定义了一些简单的结构体，用来保存必要的信息。

struct Thread {
    unsigned long ip;
    unsigned long sp;
};

结构体Thread包含两个成员，分别用来保存指令指针ip和栈顶指针sp。

typedef struct PCB{
    int pid;
    volatile long state;  /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    char stack[KERNEL_STACK_SIZE];
    /* CPU-specific state of this task */
    struct Thread thread;
    unsigned long task_entry;
    struct PCB *next;
}tPCB;

结构体PCB表示进程控制块，包含进程号（pid）、状态（state）、栈（stack）、线程（thread）、任务处理函数入口地址（task_entry）以及指向下一个进程控制块的指针（next）。

mymain.c

mymain.c 中定义了内核初始化函数void __inti my_start_kernel(void)，如下：

void __init my_start_kernel(void)
{
    int pid = 0;
    int i;
    /* Initialize process 0*/
    task[pid].pid = pid;
    task[pid].state = 0;/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    task[pid].task_entry = task[pid].thread.ip = (unsigned long)my_process;
    task[pid].thread.sp = (unsigned long)&task[pid].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];
    task[pid].next = &task[pid];
    /*fork more process */
    for(i=1;i<MAX_TASK_NUM;i++)
    {
        memcpy(&task[i],&task[0],sizeof(tPCB));
        task[i].pid = i;
        task[i].state = -1;
        task[i].thread.sp = (unsigned long)&task[i].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];
        task[i].next = task[i-1].next;
        task[i-1].next = &task[i];
    }
    /* start process 0 by task[0] */
    pid = 0;
    my_current_task = &task[pid];
    asm volatile(
        "movl %1,%%esp\n\t"     /* set task[pid].thread.sp to esp */
        "pushl %1\n\t"             /* push task[pid].thread.sp */
        "pushl %0\n\t"             /* push task[pid].thread.ip */
        "ret\n\t"                 /* pop task[pid].thread.ip to eip */
        "popl %%ebp\n\t"
        : 
        : "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)    /* input c or d mean %ecx/%edx*/
    );
}

首先，初始化 pid 为0的进程控制块，将其状态设为可执行，任务处理函数为my_process()（将在下文对my_process函数进行详细说明），然后将next指针指向自己，因为此时还只有一个进程控制块。

初始化完成后，启动进程0。启动过程使用的是一段汇编代码（如果对 C 语言中嵌入汇编代码不熟悉，可以先查阅相关知识，再来读这段代码）。先将当前进程栈的栈顶指针赋给寄存器 esp。然后保存栈顶指针，因为此时栈是空的，栈顶指针和栈底指针相同，所以这里相当于保存了栈底指针。再通过先压栈在ret的方法，将当前进程的 ip 赋给 eip（因为 eip 不允许直接修改）。最后弹栈，将进程的栈顶指针赋给 ebp，完成进程0的启动。

进程启动后，运行任务处理函数my_process，函数my_process的代码如下：

void my_process(void)
{
    int i = 0;
    while(1)
    {
        i++;
        if(i%10000000 == 0)
        {
            printk(KERN_NOTICE "this is process %d -\n",my_current_task->pid);
            if(my_need_sched == 1)
            {
                my_need_sched = 0;
                my_schedule();
            }
            printk(KERN_NOTICE "this is process %d +\n",my_current_task->pid);
        }     
    }
}

my_process其实就是一个简单的循环，每循环一千万次，打印出自己的pid，检查my_need_sched标志，是否需要进行进程调度，如果需要，则调用函数my_schedule切换进程。

my_interrupt.c

my_interrupt.c中定义了一个时钟中断处理函数my_timer_handler()以及进程切换函数my_schedule()的实现。

void my_timer_handler(void)
{
#if 1
    if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1)
    {
        printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<\n");
        my_need_sched = 1;
    }
    time_count ++ ;
#endif
    return;
}

每1000个时间片，将my_need_sched标志赋为1，这样上面的任务处理函数my_process()才能进入if判断，从而调用my_schedule()函数。my_schedule()代码如下：

void my_schedule(void)
{
    tPCB * next;
    tPCB * prev;

    if(my_current_task == NULL 
        || my_current_task->next == NULL)
    {
        return;
    }
    printk(KERN_NOTICE ">>>my_schedule<<<\n");
    /* schedule */
    next = my_current_task->next;
    prev = my_current_task;
    if(next->state == 0)/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    {
        /* switch to next process */
        asm volatile(    
            "pushl %%ebp\n\t"         /* save ebp */
            "movl %%esp,%0\n\t"     /* save esp */
            "movl %2,%%esp\n\t"     /* restore esp */
            "movl $1f,%1\n\t"       /* save eip */    
            "pushl %3\n\t" 
            "ret\n\t"                 /* restore eip */
            "1:\t"                  /* next process start here */
            "popl %%ebp\n\t"
            : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
            : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
        ); 
        my_current_task = next; 
        printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);
    }
    else
    {
        next->state = 0;
        my_current_task = next;
        printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);
        /* switch to new process */
        asm volatile(    
            "pushl %%ebp\n\t"       /* save ebp */
            "movl %%esp,%0\n\t"     /* save esp */
            "movl %2,%%esp\n\t"     /* restore esp */
            "movl %2,%%ebp\n\t"     /* restore ebp */
            "movl $1f,%1\n\t"       /* save eip */    
            "pushl %3\n\t" 
            "ret\n\t"                 /* restore eip */
            : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
            : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
        );
    }
    return;
}

my_schedule()执行从当前进程到下一个进程的切换。根据下一个进程的状态，分为两种情况：

若下一个进程状态是可运行的，即就绪，则保存当前进程的上下文，将 ebp 压栈， esp 和 eip 的内容保存到 Thread 结构体中，从下一个进程控制块的 Thread 中取出 sp 和 ip 放到 esp 和 eip 中，从栈中弹出 ebp,完成进程切换。

若下一个进程不可运行，先要将其标记为可运行，然后再进行进程的上下文切换，这里与上面有一点不同的地方是此进程没有运行过，栈是空的，栈顶指针和栈基指针相同，所以是把 Thread 中的 sp 赋给 ebp。

运行截图

总结

本文所介绍的时间片轮转进程调度内核虽然比传统内核简单的多，但是基本原理大体相同，当CPU分配给进程的时间片用完时，便需要进行进程切换，切换时需要先保存当前运行进程现场，然后加载需要运行的信息，完成切换过程。