通过一段精简的进程切换代码，聊一下OS是如何工作

罗晓波+ 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 

本文将通过一段精简的linux内核代码，mykernel代码，从进程的启动到进程的切换之间发生了什么，cpu和操作系统做了什么，简单地聊一下，首先，从一个实验开始吧！

1.Mykernel精简内核程序实验

1.1 实验环境：

实验环境依旧是由实验楼为我们提供的，感兴趣的读者可以试着做一下这个实验，链接是：Mykernel精简内核程序实验。

1.2 实验过程：

首先用下面两条命令，

cd LinuxKernel/linux-3.9.4qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

以上的实验环境仅仅是模拟了时钟中断，一直都是一个进程的run~，接下来，加入下面的代码，即将开始进程切换调度啦！

需要在mykernel下重新更新下面文件，给出链接：myinterrupt.c、mymain.c、mypcb.h

简单介绍一下，上面三个文件的作用，下文中会较为详细的描述其中的核心代码。myinterrupt.c，主要负责中断以及进程切换；mymain.c，初始化系统环境，mypcb.h描述了进程控制块的定义。

再次到Linux3.9.4目录下重新编译，用下面命令：

make allnoconfigmakeqemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

上图~

通过上面两张图，可以发现进程的切换。下面分析一下咯。

2.进程的启动和进程的切换机制

2.1 进程启动：

进程从void __init my_start_kernel(void)开始启动，直接上代码吧~

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*/);}   

函数前面是一些初始化工作，包括对于进程的fork，在这里精简的只是mencpy了，也就是说，每个进程初始时，除了pid之外，对于所定义的pcb来说，其他都是相同的，以一个链表来组织各进程。

下面一段嵌入式汇编代码值得注意，该段代码的主要作用就是初始化第0号进程，将0号进程的esp写入esp寄存器，由于进程还未开始执行，所以说进程的esp以及ebp都应该是指向栈底的（空栈），另外，0号进程的eip在这里已经指向了my_process代码段地址，ret之后，开始执行0号进程。

2.2 进程切换：

同linux内核一样，mykernel精简版本的的进程切换也是通过schedule()函数进行进程切换，挡发生时钟中断的时候，中断处理程序会将需要调度的flag置为1，而与此同时，每一个当前执行的进程都在轮询，如果一旦flag被置为了1，则开始进行进程切换，代码在上述链接都有，在myinterrupt.c文件，接下来重点分析一下，切换进程的核心代码：

case1： 进程开始切换的时候，是切换到一个进程状态为已经在运行的进程。

 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);       }

以最简单的方式来理解上面这段进程切换的代码，假如初始化的时候，只初始化了两个进程，即0,1号进程，也就是说，假如只有这两个进程在来回切换，来画出他们的堆栈吧~

prev为p0；next为p1：

嵌入式汇编代码第一句就是将prev进程的ebp压入内核栈中，接下来保存prev的esp到prev->thread.sp中，thread字段是保存大部分的寄存器，这里将esp存入thread的sp字段。

在切换进程之前，将1f存到prev的eip中，1f指的是被标记为1的地址，ret之后，弹栈next的eip，开始执行next进程。

其实，不管有多少个进程在切换，当再次调度回来的时候，esp指针从从当前的next（之前的prev）中获得，执行到标记为1的地方，然后弹栈，顺着esp指针弹栈，刚好，此刻弹出的就是之前prev的ebp指针，进程得以继续执行。

case2：进程切换到一个新进程

先上代码：

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)    );              }   

重点看其中的汇编代码，前面的几句和case1相同，由于这里所切换的进程是一个新进程，所以这里的state置为0（running状态），这里的movl $1f，%1\n\t中的1f在进程再次调度回来的时候，走的是case1的分支代码块，所以case2中的 中没有标记为1的代码块，也没有pop ebp的操作。

3.对操作系统如何工作的简单理解：

上面实验所述的是一个精简的mykernel代码，但是OS对于进程的启动以及切换也都是有一定相似性的，但是真正的linux内核考虑的东西远比这个mykernel多得多，但是都是从一个初始化上下文环境的函数开始执行，即start_kernel函数，创建很多进程或者fork若干进程，当中断发生的时候，如mykernel中就是时钟中断发生之后，接下来OS就会为各进程进行调度，在调度队列中选取出一个适合的进程，由CPU和内核堆栈保存前一个进程的各寄存器信息(进程描述块中的thread结构体保存大部分CPU寄存器，但是诸如eax、ebx等等这些通用寄存器是保存在内和堆栈中的)，将eip指向要调度的进程执行的地址，开始执行。