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刘旸 + 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
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操作系统(Operating System,简称OS)是管理和控制计算机硬件与软件资源的计算机程序。操作系统在进行进程管理时通常采用分时的概念,将计算机的系统资源(尤其是 CPU时间)进行时间上的分割,每个时间段称为一个时间片。操作系统以时间片为单位,轮流为每个进程服务。时间片轮转的方式使得多个进程能在同一台计算机同时运行。
下面我们通过实验来模拟一个小型的操作系统,理解它采用时间片分配来进行进程管理的过程。
1. 在实验楼的虚拟机中打开终端,输入以下命令:
cd LinuxKernel/linux-3.9.4
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage
mykernel启动后效果如下:
不难看出该程序是在模拟一个操作系统,不断地打印指定的信息。
2.打开LinuxKernel/linux-3.9.4/mykernel文件夹,找到并打开mymain.c和myinterrupt.c
3.可以看到在mymain.c中有一个_initmy_start_kernel函数,我们在运行mykernel之后见到的一部分信息——“my_start_kernel here”就是由这个函数中的循环打印的。再观察myinterrupt.c文件,其中有一个名为my_timer_handler的函数,会周期性地被中断调用,从而输出另一部分信息“>>>my_timer_handler here <<<”。
到这里我们可以得出一个结论,mykernel启动之后将会做两件事:
1) 调用my_start_kernel函数
2) 周期性调用my_timer_handler函数
因此只要通过编写这两个函数,完成进程的初始化和进程的时间片轮转调度,就可以写出一个简单的操作系统了。下面我们就来研究分析一个简单的时间片轮转多道程序。
4.从https://github.com/mengning/mykernel获取实验用的源代码,主要是下面的三个文件:mypcb.h,myinterrupt.c和mymain.c。用下载的后两个文件的内容取代实验楼虚拟机的mykernel文件夹下相应同名文件的内容,然后在mykernel文件夹下自行新建一个mypcb.h文件,将下载的mypcb.h的内容拷贝进去并保存。
5.打开终端定位到LinuxKernel/linux-3.9.4,并执行以下命令:
make allnoconfig
make
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage
此时mykernel的运行效果如下:
可以看到隔一段时间后,系统会自动运行下一个进程。
代码分析:
首先我们来看mypcb.h:
/* * linux/mykernel/mypcb.h * * Kernel internal PCB types * * Copyright (C) 2013 Mengning * */ #define MAX_TASK_NUM 4 #define KERNEL_STACK_SIZE 1024*8 /* CPU-specific state of this task */ struct Thread { unsigned long ip; unsigned long sp; }; typedef struct PCB{ int pid; volatile long state; /* -1unrunnable, 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; void my_schedule(void);
该头文件:
1) 定义了Thread结构体,其中,ip、sp分别代表ip寄存器和sp寄存器,用于存储现场。
2) 定义了PCB结构体,其中pid为进程的进程号,state为进程状态,stack为分配给进程的栈空间,thread为线程信息,task_entry为进程的入口函数,next指针指向下一个PCB。
3) 声明了my_schedule函数。其具体实现会放在my_interrupt.c中分析。mymain.c中的各个进程函数会根据一个全局变量的状态来决定是否调用它,从而实现主动调度。
接下来我们继续分析mymain.c
/* * linux/mykernel/mymain.c * * Kernel internal my_start_kernel * * Copyright (C) 2013 Mengning * */ #include <linux/types.h> #include <linux/string.h> #include <linux/ctype.h> #include <linux/tty.h> #include <linux/vmalloc.h> #include "mypcb.h" tPCB task[MAX_TASK_NUM]; tPCB * my_current_task = NULL; volatile int my_need_sched = 0; void my_process(void); 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 = (unsignedlong)my_process; task[pid].thread.sp = (unsignedlong)&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 = (unsignedlong)&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 ebp */ "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 dmean %ecx/%edx*/ ); } 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); } } }
系统启动后,函数 my_start_kernel首先被调用,它完成了0号进程的初始化和启动,其中启动过程采用内联汇编代码完成。然后创建好其它进程的PCB,用于后面的进程调度。
而my_process 函数即是每个进程的函数代码(实际中可能不一样,但在该模拟系统中认为都一样),该函数会打印出当前进程的pid,以显示当前哪个进程正在执行。同时,my_process还负责检查一个全局标志变量 my_need_sched,一旦发现其值为 1 ,就调用 my_schedule 完成进程的调度。
最后我们来看负责执行中断的myinterrupt.c文件:
/* * linux/mykernel/myinterrupt.c * * Kernel internal my_timer_handler * * Copyright (C) 2013 Mengning * */ #include <linux/types.h> #include <linux/string.h> #include <linux/ctype.h> #include <linux/tty.h> #include <linux/vmalloc.h> #include "mypcb.h" extern tPCB task[MAX_TASK_NUM]; extern tPCB * my_current_task; extern volatile int my_need_sched; volatile int time_count = 0; /* *Called by timer interrupt. * itruns in the name of current running process, * soit use kernel stack of current running process */ void my_timer_handler(void) { #if 1 if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1) { printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handlerhere<<<\n"); my_need_sched = 1; } time_count ++ ; #endif return; } 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; }
之前已经了解到,my_timer_handler 函数会被内核周期性的调用,每调用1000次,就将全局变量my_need_sched的值置为1,并通知正在运行的进程执行在mypcb.h中声明的my_schedule函数。
my_schedule函数负责完成进程的切换。切换分两种情况:一种情况是下一个进程没有被调度过,那么就直接启动该进程即可;另外一种情况是下一个进程被调度过,那么就需要从上次该进程被中断的地方继续运行。这就需要先通过查看下一个进程的state变量获得其状态,再根据其状态进行相应的处理。进程切换依然是通过内联汇编代码实现,即保存旧进程的eip和堆栈,将新进程的eip和堆栈的值存入对应的寄存器中。
通过以上实验我们可以看出,操作系统的核心功能就是进程调度和中断机制,通过与硬件的配合实现多任务处理,再加上上层应用软件的支持,最终变成可以使用户可以很容易操作的计算机系统。