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。