第二周 内核进程调度

1.介绍

操作系统为了实现支持多任务处理的需要，一般都会支持多进程的机制，所以进程的的切换是内核当中一个非常重要的功能模块，内核几个功能模块主要有

处理器管理

内存管理

磁盘管理

输入输出管理

进程管理

本次实验主要是模拟了内核中的进程切换机制，以便加深对内核进程切换的理解。其中本次实验主要涉及以下三个代码文件。

mypcb.h

mymain.c

myiterrupt.c

[b]2. 实验结果：[/b]

本实验想要实现的结果是通过时间片的方式对几个进程进行切换，其中每一个进程都由一个数字表示。以下列出实验结果截图(为了使实验结果更加清晰，调短了时间片的时间)

3. 流程图：

以下给出程序的运行流程图，然后根据流程图分析相关


4. 源代码分析

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）

mypcb.h文件中主要定义了PCB的数据结构，PCB（Process Control Block）在计算机当中用于存储一个进程当中的相关变量，由以上代码可以看出，地应的PCB中包含了了当前进程的

状态（state,)

堆栈(stack[KERNEL_STACK_SIZE]),

esp,eip(thread),

程序入口(task_entry),

指向的下一个进程的指针(next)。

mymain.c

/*
*  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);
}
}
}

mymain.c文件主要的主要是初始化相关进程。并引导最初的进程运行。首先

void __init my_start_kernel(void)

_init是一个宏定义，其宏定义如下，主要实现的功能是将这段代码放在text段中。

#define __init __section__(".init.text")

　　29-35行代码主要完成的对process0（最初进程）的初始化工作。然后利用for循环对已经初始化好的process0进行复制，快速的初始化好其它进程的相关信息。

这里注意process0的task_entry设置为my_process，即process0将调用my_process函数。

　　48-55行内置汇编主要是启动process0 其中首先保存esp eip然后在52行ret指令时进入my_process函数进行执行。

　　my_process函数主要作用是打印当前进程的信息。并且通过判断 my_need_sched 的值来决定是否进行进程切换，即调用my_schedule();而my_need_sched 这个变量的值则主要通过时间中断来实现改变，见myinterrupt.c代码

myinterrupt.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)
{
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;
}

my_timer_handler函数主要作用是修改my_need_sched从而实现进程的切换，这里利用time_count进行计数的方式控制触发进程切换条件的时间。可以修改1000实现更大或者更小的进程切换时间

my_schedule则是控制进程切换的函数。首先对要切换的进程进行判断，是否是新进程，若是是runnable则进入if语句中。79-86行主要作用是进程的切换。这里先将esp，ebp压栈（即将当前进程的栈顶，栈底 压栈）。然后将将要调度的进程的sp赋值esp寄存器当中。然后保存当前eip值。在63当中进入下一个进程当中。这里注意$1f指的是65代码的地址，即标号1：的下一行。
这样保存的意义就是让进程返回时接着下一行代码执行。
如果下一个将要调度的进程是个新进程，那么就会进入到else当中，其中与之前的代码很相似，不同在于由于是新进程，ebp，esp没有值，这里要构造相应的ebp，esp。见81， 82行。

[b]5. 总结[/b]

　　通过实验加深了对内核进程切换的理解，这里进程切换主要借鉴了函数调用的相关思想，将每个进程当作一个函数，在进入进程前先保存当前进程的相关参数，以便下一次调用进程时恢复现场使用。操作系统通过这种方式实现进程的快速切换，虽然一个CPU（单核）只能同时运行一个进程，但是只要时间片设置的足够小，通过这种方式快速切换各个进程，可以实现多任务处理的作用，从而满足日常生活中人们的各种多线作业的需求。