2_进程切换_一个简单的时间片轮转多道程序内核代码
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《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000
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这周的实验还是在实验楼的linux环境中，用孟宁老师为我们搭建好的环境里用c嵌汇编的代码，模拟操作系统最基本的功能--进程间的切换。现在的操作系统都是多道程序运行，可以采用时间片轮转的方式进行。
首先进入实验楼环境（https://www.shiyanlou.com/courses/195）进入实验2后敲入：
cd LinuxKernel/linux-3.9.4 qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage
可以看见如下图的运行效果：交替执行my_start_kernel和my_timer_handler。
然后ls查看到mykernel下有mymain.c myinterrupt.c两个重要文件，如下图：
直接查看代码mymain.c：myinterrupt.c的代码：
可以看到这两个源文件里面很简单，各自就两个函数，直接输出打印内容。这说明，系统启动后从my_start_kernel函数执行，一段时间后（100000次）调用中断函数my_timer_handler执行，如此交替往复。
接下来，在上面的基础上更改mypcb.c mymain.c myinterrupt.c实现一个简单的进程间切换的多道程序。
从github.com/mengning/mykernel上下载源码后，敲入命令：
make allnoconfig make qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage
运行如下图：
下面分析源码：
<span style="font-size:18px;">/*
* 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; /* -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;
void my_schedule(void);</span>
分析：以上代码自定义了一个进程控制块的结构，其中
pid用来存放进程ID号；
state用来存放进程的状态：0表示可运行，大于0表示停止运行，-1表示不可运行；
stack数组用来存放内核栈；
thread是个自定义的结构体，里面存放两个关键的参数，一个是ip另一个是sp；
task_entry用来表示函数执行入口；
*next指向下一个进程控制块，形成链表结构。
函数My_schedule（）的具体实现在myinterrupt.c中。
<span style="font-size:18px;">/*
* 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 = (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 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 d mean %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);
}
}
}</span>
分析：以上代码做了4件事：
1.初始化一个0号进程。让它的next指向自己，构成循环链表
2.分配其他的子进程。先将0号进程memorycopy进数组，再根据MAX_TASK_NUM值初始化剩余的进程并放入数组中
3.让0号进程跑起来。通过内嵌的汇编代码切换eip就可以让0号进程运行
4.定义了所有进程都会执行的相同的函数体。所有进程都执行相同的操作，操作中会通过一个全局变量my_need_sched的值来判断是否执行函数my_schedule（）。
<span style="font-size:18px;">/*
* 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.
* it runs in the name of current running process,
* so it 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_handler here<<<\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;
}</span>
分析：以上代码有两个函数：
函数my_timer_handler（）由系统周期性调用，每1000次输出一次并且把在mymain.c中的函数my_process（）里会用到的全局变量my_need_sched的值置为1。
函数my_schedule（）的功能就是进程间切换。先用2个指针变量prev和next指向当前进程和当前进程的下一个进程。然后逻辑处理分2类：
1.当切换的进程是已经挂起的进程时。
-将当前ebp压栈；
-保存当前esp，要切换进程的esp放入cpu中的esp；
-保存当前eip，要切换进程的eip弹入cpu中的eip；
-弹出栈中ebp
此时切换进程已经开始运，最后将切换的进程记录为当前
2.当切换的进程是新的未曾创建的进程时。
先将进程状态置为0表示已经已经运行。再将切换的进程记录为当前
-将当前ebp压栈；
-保存当前esp，要切换进程的esp放入cpu中的esp；
-切换进程的esp放入cpu中的ebp；
-保存当前eip，要切换进程的eip弹入cpu中的eip
此时切换进程已经开始运行
总结：通过本周对于精简的系统进程间切换实验的学习，用实际的c嵌汇编的代码具体分析了进程切换的过程，有助于对于更加复杂的linux系统的理解。对于计算机系统如何工作的主要3点：
1.存储程序，计算机系统最基本的特性；
2.函数调用堆栈，高级语言得以运行的基础；
3.中断，多道程序操作系统的基点。
对于操作系统如何工作的，在操作系统原理中描述为主要对进程管理、存储管理、I/O管理、文件管理。