基于Mykernel的一个简单多进程中断切换分析

钟伟

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

实验二操作系统是怎样工作的？（基于mykernel完成一个简单的时间片轮转多道程序内核代码）

一、mykernel实验指导

原本打算采用实验楼的环境但结果发现一直说我 No Video Device，，我就很奇怪于是就换成了自己另外一台电脑的Linux系统

打开linux操作系统

输入以下命令：

cd LinuxKernel/linux-3.9.4
rm -rf mykernel
patch -p1 < ../mykernel_for_linux3.9.4sc.patch
make allnoconfig
make
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

二、实验截图

上面的主要是mykernel中自带的源码，两个进程循环的输出>>>>>my_timer_handler here <<<<< 和 my_start_kernel herexxxxxxx

接下来的就是重新编译mypcb.h

三、源码分析

主要分析三个代码段

1.首先是mypcb.h mymain.c和 myinterrupt.c三个后见之后重新生成的结果

 1 /*
 2  *  linux/mykernel/mypcb.h
 3  *
 4  *  Kernel internal PCB types
 5  *
 6  *  Copyright (C) 2013  Mengning
 7  *
 8  */
 9 
10 #define MAX_TASK_NUM        4
11 #define KERNEL_STACK_SIZE   1024*2 # unsigned long
12 /* CPU-specific state of this task */
13 struct Thread {
14     unsigned long        ip;//保存进程的eip
15     unsigned long        sp;//保存进程的esp
16 };
17 
18 typedef struct PCB{
19     int pid;
20     volatile long state;    /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
21     unsigned long stack[KERNEL_STACK_SIZE];
22     /* CPU-specific state of this task */
23     struct Thread thread;
24     unsigned long    task_entry;
25     struct PCB *next;
26 }tPCB;
27 
28 void my_schedule(void);

　　从代码中我们可以看出PCB代表着进程控制块2里面包含的信息有：

　　　　pid：进程编号

　　　　state：进程状态

　　　　stack：每个进程自己的堆栈

　　　　结构体Thread：执行线程的信息

　　　　task_entry:进程入口函数

　　　　next：下一个pcb，以链表形式存储

　　这里还定义了一个my_schedule 以方便主动调度

2.mymain.c

 1 /*
 2  *  linux/mykernel/mymain.c
 3  *
 4  *  Kernel internal my_start_kernel
 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 
16 #include "mypcb.h"
17 
18 tPCB task[MAX_TASK_NUM];
19 tPCB * my_current_task = NULL;
20 volatile int my_need_sched = 0;
21 
22 void my_process(void);
23 
24 
25 void __init my_start_kernel(void)
26 {
27     int pid = 0;
28     int i;
29     /* Initialize process 0*/
30     task[pid].pid = pid;//task[0].pid=0;
31     task[pid].state = 0;/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
32     task[pid].task_entry = task[pid].thread.ip = (unsigned long)my_process;//令0号进程的入口地址为my_process();
33     task[pid].thread.sp = (unsigned long)&task[pid].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];//0号进程的栈顶为stack[]数组的最后一个元素
34     task[pid].next = &task[pid];
35     /*fork more process */
36     for(i=1;i<MAX_TASK_NUM;i++)//根据0号进程，MAX_TASK_NUM=4最多只能复制出四个进程
37     {
38         memcpy(&task[i],&task[0],sizeof(tPCB));//void *memcpy(void *dest, const void *src, size_t n);从源src所指的内存地址的起始位置开始拷贝n个字节到目标dest所指的内存地址的起始位置中。
39         task[i].pid = i;
40         task[i].state = -1;//将这些进程的状态都设置为未运行。
41         task[i].thread.sp = (unsigned long)&task[i].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];
42         task[i].next = task[i-1].next;//新创建的进程的第一个进程next指向0号进程的首地址
43         task[i-1].next = &task[i];//前一个进程的next指向最新创建的进程的首地址，从而成为一个循环链表。
44     }
45     /* start process 0 by task[0] */
46     pid = 0;
47     my_current_task = &task[pid];//当前运行的进程设置为0号进程。
48     asm volatile( //volatile 禁止编译器使用优化功能
49         "movl %1,%%esp\n\t"     /* set task[pid].thread.sp to esp */
50         "pushl %1\n\t"          /* push ebp */
51         "pushl %0\n\t"          /* push task[pid].thread.ip */
52         "ret\n\t"               /* pop task[pid].thread.ip to eip */
53         "popl %%ebp\n\t"　　　　//将一个进程的ebp 和 eip 分别压栈
54         : 
55         : "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)   /* input c or d mean %ecx/%edx*/
56     );
57 }   
58 void my_process(void)
59 {
60     int i = 0;
61     while(1)
62     {
63         i++;
64         if(i%10000000 == 0)
65         {
66             printk(KERN_NOTICE "this is process %d -\n",my_current_task->pid);//打印-号
67             if(my_need_sched == 1)//如果需要调度
68             {
69                 my_need_sched = 0;//01轮换调度
70                 my_schedule();
71             }
72             printk(KERN_NOTICE "this is process %d +\n",my_current_task->pid);//打印+号
73         }     
74     }
75 }

　　详细分析见注释

3.my_interrupt.c

/*
 *  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) //如果没有任务可以调度，则直接退出，否则开始调度
    {
        return;
    }
    printk(KERN_NOTICE ">>>my_schedule<<<\n");
    /* schedule */
    next = my_current_task->next;//my_current_task->next即为下一个将要运行的进程
    prev = my_current_task;//将当前进程设置为prev进程。
    if(next->state == 0)/*如果下一个将要运行的进程已经处于运行状态 -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    {
        /* switch to next process */ esp:栈顶指针 ebp：栈底指针 eip：下一条指令存放的内存地址
        asm volatile(   
            "pushl %%ebp\n\t"       /* 保存当前进程的ebp到自己的栈中。    save ebp */
            "movl %%esp,%0\n\t"     /* 保存当前进程的esp到自己的栈中。    save esp */
            "movl %2,%%esp\n\t"     /* 从next->thread.sp中弹出下一个进程的esp。与第二句相对应。   restore  esp */
            "movl $1f,%1\n\t"       /* 将下一个进程的eip设置为1f。$1f就是指标号1:的代码在内存中存储的地址  save eip */   
            "pushl %3\n\t"          /* 将next->thread.ip压入当前进程的栈中。*/
            "ret\n\t"               /* 从当前进程的栈中弹出刚刚压入的next->thread.ip。完成进程切换。  restore  eip */
            "1:\t"                  /* 即$1f指向的位置。next process start here */
            "popl %%ebp\n\t"        /* 切换到的进程把ebp从栈中弹出至ebp寄存器。与第一句相对应。*/
            : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
            : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
        ); 
        my_current_task = next; //当前进程切换为next
        printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid); //打印切换信息     
    }
    else//如果下一个将要运行的进程还从未运行过。
    {
        next->state = 0;//将其设置为运行状态。
        my_current_task = next;//当前进程切换为next
        printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);//打印切换信息
        /* 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"       /* 将要被切换出去的进程的ip设置为$1f。这样等一下它被切换回来时（一定是运行状态）肯定会进入if判断分支，可以从if中的标号1处继续执行。  save eip */    
            "pushl %3\n\t"          /* 将next->thread.ip（因为它还没有被运行过，所以next->thread.ip现在仍处于初始状态，即指向my_process()，压入将要被切换出去的进程的堆栈。*/
            "ret\n\t"               /* 将刚刚压入的next->thread.ip出栈至eip，完成进程切换。   restore  eip */
            : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
            : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
        );          
    }

详细分析见注释

四、总结

　　通过本次的实验让我认识到了，操作系统进程的切换都是通过中断来进行调度的，以及进程切换的时候各个寄存器保存的内容，如何完成进程切换的，以及如何保护现场有了深刻的理解。每个操作系统都有一个父进程，也就是我们所说的0号进程，操作系统的启动以及多进程的发展都是从该进程衍生而来的。本次实验使我深刻认识到了操作系统进程间的轮换调度，意义重大。

本文链接：https://www.cnblogs.com/zhongweics/p/10505026.html

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