一个简单的时间片轮转内核代码分析

这是网易云课堂《Linux 内核分析这门课的作业》

完整代码可以移步到这里看 完整代码

这个是在实验楼完成实验后的截图

下面详细分析下代码

程序入口在 mymain.c 的 void __init my_start_kernel(void) 函数。

 1     int pid = 0;
 2     int i;
 3     /* Initialize process 0*/
 4     task[pid].pid = pid;
 5     task[pid].state = 0;/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
 6     task[pid].task_entry = task[pid].thread.ip = (unsigned long)my_process;
 7     task[pid].thread.sp = (unsigned long)&task[pid].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];
 8     task[pid].next = &task[pid];
 9     /*fork more process */
10     for(i=1;i<MAX_TASK_NUM;i++)
11     {
12         memcpy(&task[i],&task[0],sizeof(tPCB));
13         task[i].pid = i;
14         task[i].state = -1;
15         task[i].thread.sp = (unsigned long)&task[i].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];
16         task[i].next = task[i-1].next;
17         task[i-1].next = &task[i];
18     }

上面这段是初始化若干个进程对象。每个进程对象有如下属性：

 

pid // 进程id

state // 运行状态, -1表示没运行过，0表示运行过，>0表示停止

task_entry // 当进程启动的时候执行的代码地址

stack // 该进程的栈空间，大小是个固定的值

sp // 该进程的栈顶地址，初始化时指向进程栈空间的起始地址

next // 指向下一个进程对象

 1     /* start process 0 by task[0] */
 2     pid = 0;
 3     my_current_task = &task[pid];
 4     asm volatile(
 5         "movl %1,%%esp\n\t"     /* set task[pid].thread.sp to esp */
 6         "pushl %1\n\t"             /* push ebp */
 7         "pushl %0\n\t"             /* push task[pid].thread.ip */
 8         "ret\n\t"                 /* pop task[pid].thread.ip to eip */
 9         "popl %%ebp\n\t"
10         : 
11         : "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)    /* input c or d mean %ecx/%edx*/
12     );

这一段主要是设置了当前运行进程为0号进程，同时将寄存器esp指向进程的栈顶并且将栈底地址入栈。然后将进程程序入口地址入栈，随后弹出程序入口地址给寄存器eip。这样就完成了到0号进程的my_process函数的跳转。我画个图说明下这一步完成后的情况。

 1 void my_process(void)
 2 {
 3     int i = 0;
 4     while(1)
 5     {
 6         i++;
 7         if(i%10000000 == 0)
 8         {
 9             printk(KERN_NOTICE "this is process %d -\n",my_current_task->pid);
10             if(my_need_sched == 1)
11             {
12                 my_need_sched = 0;
13                 my_schedule();
14             }
15             printk(KERN_NOTICE "this is process %d +\n",my_current_task->pid);
16         }     
17     }
18 }

然后继续运行my_process。这里是个无限循环，每循环10000000次会检查现在要不要主动中断调用my_schedule程序。其中my_need_sched程序是由一个时钟中断程序定期更新的。

 

然后来看myinterrupt.c

 1 void my_timer_handler(void)
 2 {
 3 #if 1
 4     if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1)
 5     {
 6         printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<\n");
 7         my_need_sched = 1;
 8     } 
 9     time_count ++ ;  
10 #endif
11     return;      
12 }

这一段是响应时钟中断，每运行一定次数会将my_need_sched这个标志位置为1。也就是告诉现在在运行的进程可以开始做切换了。

下面的voidmy_schedule(void)函数是关键所在。

重点看54行以后if的两个分支

 1     if(next->state == 0)/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
 2     {
 3         /* switch to next process */
 4         asm volatile(    
 5             "pushl %%ebp\n\t"         /* save ebp */
 6             "movl %%esp,%0\n\t"     /* save esp */
 7             "movl %2,%%esp\n\t"     /* restore  esp */
 8             "movl $1f,%1\n\t"       /* save eip */    
 9             "pushl %3\n\t" 
10             "ret\n\t"                 /* restore  eip */
11             "1:\t"                  /* next process start here */
12             "popl %%ebp\n\t"
13             : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
14             : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
15         ); 
16         my_current_task = next; 
17         printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);       
18     }

其实这一段内嵌汇编代码做的事也很简单。一个是保护现在进程的现场，包括当前ebp, esp, eip寄存器的值，另外就是把这些寄存器指向下一个进程的程序地址和栈空间。

 

这里要注意两点：

1. %ebp的值不需要专门保存到PCB的结构中，只要在切换之前入栈一次就可以了。这样在切换回来的时候随着popl %ebp就会自然恢复。

2. 每次进程切换回来，resume的点都是标号1。

 

我也画了一张图说明切换后内存中数据和寄存器的状态。

 1     else
 2     {
 3         next->state = 0;
 4         my_current_task = next;
 5         printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);
 6         /* switch to new process */
 7         asm volatile(    
 8             "pushl %%ebp\n\t"         /* save ebp */
 9             "movl %%esp,%0\n\t"     /* save esp */
10             "movl %2,%%esp\n\t"     /* restore  esp */
11             "movl %2,%%ebp\n\t"     /* restore  ebp */
12             "movl $1f,%1\n\t"       /* save eip */    
13             "pushl %3\n\t" 
14             "ret\n\t"                 /* restore  eip */
15             : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
16             : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
17         );          
18     }  

else分支里做的也是类似的事情。只不过因为新的进程还没有运行过，栈是空的，所以要将%ebp指向栈顶。

过程就是这样。

总结：进程之间的切换完全取决于几个寄存器的值，特别是eip和esp。其中eip指向哪程序就从哪开始继续运行，esp指向哪哪就是新的栈顶，也就是说做了栈的切换。当然在切换前肯定要把当前进程的运行状态保存下来。包括栈顶的位置，栈底的位置和切换点的程序地址。虽然代码很简单，但是对理解进程是怎么切换的是非常有帮助的。

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