Linux内核分析实验2——一个简单的内核代码分析

代码由孟宁老师提供

mypcb.h

/*
*  linux/mykernel/mypcb.h
*
*  Kernel internal PCB types
*
*  Copyright (C) 2013  Mengning
*
*/

#define MAX_TASK_NUM        4  //最大进程数
#define KERNEL_STACK_SIZE   1024*8  //进程堆栈大小

/* CPU-specific state of this task */
struct Thread {
unsigned long               ip;  //ip，存放下一条待执行指令的地址
unsigned long               sp;  //sp，堆栈指针
};

// 进程控制块PCB，Process Control Block
typedef struct PCB{
int pid;  //进程ID
volatile long state;  //进程状态, 取值: -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped
char stack[KERNEL_STACK_SIZE];  //进程堆栈
/* CPU-specific state of this task */
struct Thread thread;  //进程的IP和SP指针
unsigned long       task_entry;  //任务入口函数地址
struct PCB *next;  //进程控制块指针，将所有的进程控制块连接起来
}tPCB;

// 待调度的函数，其地址赋给PCB中的task_entry字段
void my_schedule(void);

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"

// 进程控制块数组，共4个进程
tPCB task[MAX_TASK_NUM];
// 指向当前正在执行的进程控制块
tPCB * my_current_task = NULL;

volatile int my_need_sched = 0;

void my_process(void);

// 系统启动后调用的第一个函数
void __init my_start_kernel(void)
{
int pid = 0;
int i;

/**
* 0号进程初始化
*/
task[pid].pid = pid;
task[pid].state = 0;  //将0号线程置为运行状态
// 将任务入口地址置为my_process函数
task[pid].task_entry = (unsigned long)my_process;
// 将eip置为my_process函数
task[pid].thread.ip = (unsigned long)my_process;
// 堆栈指针指向当前堆栈的栈底
task[pid].thread.sp = (unsigned long)&task[pid].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];
// 目前只有一个0号进程，next指向自己
task[pid].next = &task[pid];

/**
* 初始化其他3个进程(1号、2号、3号进程)
*/
for(i=1;i<MAX_TASK_NUM;i++)
{
// 先将已经初始化好的0号进程控制块拷贝过来, 再基于此进行修改
memcpy(&task[i],&task[0],sizeof(tPCB));
// 1号、2号、3号进程的PID分别为1、2、3
task[i].pid = i;
// 进程状态置为未运行（待运行）
task[i].state = -1;
// 堆栈指针指向自己进程堆栈的栈底
task[i].thread.sp = (unsigned long)&task[i].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];
// 链表尾部插入节点，形成循环链表: 0->1->2->3->0
task[i].next = task[i-1].next;
task[i-1].next = &task[i];
}

/**
* 启动0号进程
*/
pid = 0;
my_current_task = &task[pid];

// 下面是内嵌汇编代码，是本程序的核心, 目的是将%ebp, %esp, %eip都附上值
// 1. asm和__asm__是等价的，asm是别名，为了书写方便;
// 2. volatile和__volatile__是等价的，volatile是别名；volatile用于指示编译器不要优化代码，后面的指令保持原样;
asm volatile(
// 3. %0~%2分别对应下面冒号后面的输出部分和输入部分；
// 4. %%esp有两个%, 前面一个%用于转义; \n\t也是转义字符；
// 5. %esp指向栈底，即指向&task[pid].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1]
"movl %1,%%esp\n\t"     /* set task[pid].thread.sp to esp */
// 6. 将%esp压栈，等同于: pushl %esp
"pushl %1\n\t"          /* push ebp */
// 7. 将my_process函数入口地址入栈
"pushl %0\n\t"          /* push task[pid].thread.ip */
// 8. ret = popl %eip，即%eip指向my_process函数入口地址
"ret\n\t"                   /* pop task[pid].thread.ip to eip */
// 9. %ebp指向&task[pid].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1]
"popl %%ebp\n\t"
// 10. 输出部分：为空
:
// 11. 输入部分：分别对应%0和%1
// 12. 这里的前置修饰符, "c"表示寄存器%ecx, "d"表示寄存器%edx；
: "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)   /* input c or d mean %ecx/%edx*/
);

}

/**
* 进程执行的第一个函数
*/
void my_process(void)
{
int i = 0;
while(1)
{
i++;
// 每10000000次，触发一次操作
if(i%10000000 == 0)
{
printk(KERN_NOTICE "this is process %d -\n",my_current_task->pid);

// 这里需要等时钟中断程序将my_need_sched的值改为1, 才能触发一次my_schedule函数
if(my_need_sched == 1)
{
my_need_sched = 0;
my_schedule();
}
printk(KERN_NOTICE "this is process %d +\n",my_current_task->pid);
}
}
}

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;
cb9c

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(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1)
{
printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<\n");
// 该变量置为1，my_process函数中就可以调用my_schedule函数了
my_need_sched = 1;
}
time_count ++ ;
return;
}

/**
* 定时调度函数, 调度间隔在my_timer_handler函数中指定
*/
void my_schedule(void)
{
tPCB * next;
tPCB * prev;

// my_current_task在初始时指向0号进程的进程控制块, 肯定不为空
// my_current_task的next也不会为NULL，因为是循环链表，即使只有一个0号进程控制块，也是自己指向自己的
if(my_current_task == NULL
|| my_current_task->next == NULL)
{
return;
}
printk(KERN_NOTICE ">>>my_schedule<<<\n");

// 进程切换
/* schedule */
next = my_current_task->next;
prev = my_current_task;
// next节点的状态初始值为-1
if(next->state == 0)/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
{
// next进程第二次(及之后所有次)执行时走该分支, 这里的注释假设系统第二次从0号进程切换到1号进程
/* 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 */
// 这里与第一次调度该进程相比少了一行"movl %2,%%ebp\n\t"

// 注：这里的%1f指的是标号1出的地址，因为1处已经到了新的进程，所以此时标号1的地址指的是新进程的地址，
最后pop的也是在新进程的堆栈中pop的，与开头的push无关。
"movl $1f,%1\n\t"       /* save eip */
"pushl %3\n\t"
"ret\n\t"                   /* restore  eip */
// 这里的"1"是标号，一般共指令跳转使用，本汇编程序未使用
"1:\t"                  /* next process start here */
// 将第一次调用1号进程时压入的%ebp弹出堆栈
"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进程第一次执行时走该分支, 这里的注释假设系统第一次从0号进程切换到1号进程

// 设置1号进程状态为运行中
next->state = 0;
// 当前指针指向1号进程
my_current_task = next;
printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);
// 将%ebp, %esp, %eip的值修改为1号进程的对应值, 即启动2号进程的执行
asm volatile(
// 1. %ebp入0号进程的堆栈
"pushl %%ebp\n\t"           /* save ebp */
// 2. %esp保存到0号进程的控制块中
"movl %%esp,%0\n\t"     /* save esp */
// 3. %esp指向1号进程的栈底
"movl %2,%%esp\n\t"     /* restore  esp */
// 4. %ebp也指向1号进程的栈底
"movl %2,%%ebp\n\t"     /* restore  ebp */
// 5. %eip保存到0号进程的控制块中
// 注：这里的%1f和中断没有关系，是进程上下文切换的特殊地址
"movl $1f,%1\n\t"       /* save eip */
// 6. 将1号进程的入口函数地址(和0号进程相同)压入1号进程的栈
"pushl %3\n\t"
// 7. ret = popl %eip, 即：将%eip指向1号进程的入口函数，并开始执行
"ret\n\t"                   /* restore  eip */
// 8. 输出部分，"m"表示内存变量，"="表示操作数在指令中是只写的
: "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
// 9. 输入部分，"m"表示内存变量
: "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
);
}
return;
}

理解与总结：

保存当前函数的esp，eip值，然后将新函数的esp与eip值赋给对应寄存器，这样就启动了一个新的进程，然后每隔一段时间就重复一下上述操作，就可以实现多进程