[rCore学习笔记 024]多道程序与协作式调度

写在前面

本随笔是非常菜的菜鸡写的。如有问题请及时提出。

可以联系：1160712160@qq.com

GitHhub：https://github.com/WindDevil （目前啥也没有

本节重点

主要是对任务的概念进行进一步扩展和延伸：形成

任务运行状态：任务从开始到结束执行过程中所处的不同运行状态：未初始化、准备执行、正在执行、已退出
任务控制块：管理程序的执行过程的任务上下文，控制程序的执行与暂停
任务相关系统调用：应用程序和操作系统之间的接口，用于程序主动暂停 sys_yield 和主动退出 sys_exit

这里主要看具体实现,这些概念之前学习RTOS的时候使用是会使用了,但是具体怎么实现还不好说.

多道程序背景与 yield 系统调用

尽管 CPU 可以一直在跑应用了,但是其利用率仍有上升的空间.

随着应用需求的不断复杂,有的时候会在内核的监督下访问一些外设,它们也是计算机系统的另一个非常重要的组成部分,即 输入/输出 (I/O, Input/Output) .

CPU 会把 I/O 请求传递给外设,待外设处理完毕之后,CPU 便可以从外设读到其发出的 I/O 请求的处理结果.

我们暂时考虑 CPU 只能 单向地 通过读取外设提供的寄存器信息来获取外设处理 I/O 的完成状态。

多道程序的思想在于:

内核同时管理多个应用。如果外设处理 I/O 的时间足够长，那我们可以先进行任务切换去执行其他应用
在某次切换回来之后，应用再次读取设备寄存器，发现 I/O 请求已经处理完毕了，那么就可以根据返回的 I/O 结果继续向下执行了

这样的话，只要同时存在的 应用足够多 ，就能 一定程度 上隐藏 I/O 外设处理相对于 CPU 的延迟，保证 CPU 不必浪费时间在等待外设上，而是几乎一直在进行计算。

这种任务切换，是让应用主动调用 sys_yield 系统调用来实现的，这意味着应用主动交出 CPU 的使用权给其他应用。

这一段的描述相当是一种多任务的轮询,但是在我的脑海中, 外部中断 还是比多任务轮询要好得多的. 但是怎么合理地利用外部中断提高实时性,就是一个问题.

至于主动调用sys_yield就是一件很难的事情,也就是为啥叫做 协作式 , 就是系统的性能要依赖程序员在设计APP的时候释放CPU.(我自己都想拉满CPU,谁想管你死活捏)

这里提到了 一种多道程序执行的典型情况 :

这张图很好解释:

这张图的横轴是时间轴
这张图的纵轴是运行实体(任务和IO硬件)
可以看到是有三个运行实体
1. I/O Device : 这个是IO硬件
2. I/O Task : 这个是请求IO硬件的任务
3. Other Task : 这个是不请求IO硬件的其它任务
可以看到最开始是 IO Task 在运行.
在 I/O Start yield 时刻,IO Task 请求了IO硬件,然后释放了CPU.
Other Task 接手CPU,同时 IO Device 继续处理硬件上的问题.
一直执行到 Not Complete yileld again 时段的开头,Other Task 执行完毕,把CPU释放.
由 IO Task 接手之后检查IO硬件状态,仍然没有处理完毕.
在 Not Complete yileld again 时段的结尾, IO Task 释放CPU.
Other Task 再次接手CPU,同时 IO Device 继续处理硬件上的问题.
在 Other Task 执行期间,发生了 I/O Complete 时刻,但是此时软件感知不到.
在 Continue 时刻, ,Other Task 执行完毕,把CPU释放.
由 IO Task 接手之后检查IO硬件状态,处理完毕,因此继续执行.

上面我们是通过“避免无谓的外设等待来提高 CPU 利用率”这一切入点来引入 sys_yield 。但其实调用 sys_yield 不一定与外设有关 。随着内核功能的逐渐复杂，我们还会遇到 其他需要等待的事件 ，我们都可以立即调用 sys_yield 来避免等待过程造成的浪费。

sys_yield 的缺点

这一部分和我最开始考虑的关于实时性问题的思考是有一定关联的.

当应用调用它主动交出 CPU 使用权之后，它下一次再被允许使用 CPU 的时间点与内核的调度策略与当前的总体应用执行情况有关，很有可能远远迟于该应用等待的事件（如外设处理完请求）达成的时间点。这就会造成该应用的响应延迟不稳定或者很长。比如，设想一下，敲击键盘之后隔了数分钟之后才能在屏幕上看到字符，这已经超出了人类所能忍受的范畴。但也请不要担心，我们后面会有更加优雅的解决方案。

sys_yield 的标准接口

思考我们之前提到的两种syscall.

在 内核层 实现的:

//os/syscall/mod

const SYSCALL_WRITE: usize = 64;
const SYSCALL_EXIT: usize = 93;

mod fs;
mod process;

use fs::*;
use process::*;

/// handle syscall exception with `syscall_id` and other arguments
pub fn syscall(syscall_id: usize, args: [usize; 3]) -> isize {
    match syscall_id {
        SYSCALL_WRITE => sys_write(args[0], args[1] as *const u8, args[2]),
        SYSCALL_EXIT => sys_exit(args[0] as i32),
        _ => panic!("Unsupported syscall_id: {}", syscall_id),
    }
}

在 用户层 实现的:

//user/syscall

use core::arch::asm;

const SYSCALL_WRITE: usize = 64;
const SYSCALL_EXIT: usize = 93;

fn syscall(id: usize, args: [usize; 3]) -> isize {
    let mut ret: isize;
    unsafe {
        asm!(
            "ecall",
            inlateout("x10") args[0] => ret,
            in("x11") args[1],
            in("x12") args[2],
            in("x17") id
        );
    }
    ret
}

pub fn sys_write(fd: usize, buffer: &[u8]) -> isize {
    syscall(SYSCALL_WRITE, [fd, buffer.as_ptr() as usize, buffer.len()])
}

pub fn sys_exit(exit_code: i32) -> isize {
    syscall(SYSCALL_EXIT, [exit_code as usize, 0, 0])
}

这里如果能理解到这里的同名的syscall,sys_write,sys_exit不是同一个函数,说明才 理解到位 .

现在要 继续实现 一个 系统调用 sys_yield.

于是要在 用户层 实现接口:

// user/src/syscall.rs

pub fn sys_yield() -> isize {
    syscall(SYSCALL_YIELD, [0, 0, 0])
}

// user/src/lib.rs

pub fn yield_() -> isize { sys_yield() }

SYSCALL_YIELD同样是一个 需要定义 的常量.

这里有个小问题,由于yield是rust的 关键字 ,因此定义函数名字的时候 增加了一个_ .

于是在 内核层 的syscall里边也需要增加一个判别,现在我只写成伪代码,因为具体我也 不知道 参数怎么填写:

pub fn syscall(syscall_id: usize, args: [usize; 3]) -> isize {
    match syscall_id {
		// 这里是伪代码
	    SYSCALL_YIELD => sys_yield(...)
	    // 这里是伪代码
        SYSCALL_WRITE => sys_write(args[0], args[1] as *const u8, args[2]),
        SYSCALL_EXIT => sys_exit(args[0] as i32),
        _ => panic!("Unsupported syscall_id: {}", syscall_id),
    }
}

任务控制块与任务运行状态

思考上一章实现的AppManager,它包含了三部分:

应用的数量 .
当前运行应用.
应用的 入口地址 .

但是考虑当前的任务的状态,可能不是简单地如上图两任务的情况一样,而是存在更多的任务和更复杂的情景.

想到我们本节开头时候所说,要建立一个 任务运行状态 的概念,把任务归类为如下几种状态:

未初始化
准备执行
正在执行
已退出

因此可以使用rust构建这样一个结构体:

// os/src/task/task.rs

#[derive(Copy, Clone, PartialEq)]
pub enum TaskStatus {
    UnInit, // 未初始化
    Ready, // 准备运行
    Running, // 正在运行
    Exited, // 已退出
}

#[derive]这个注解有点类似于 Kotlin ,可以让 编译器自动 帮你实现一些方法:

实现了 Clone Trait 之后就可以调用 clone 函数完成拷贝；
实现了 PartialEq Trait 之后就可以使用 == 运算符比较该类型的两个实例，从逻辑上说只有两个相等的应用执行状态才会被判为相等，而事实上也确实如此。
Copy 是一个标记 Trait，决定该类型在按值传参/赋值的时候采用移动语义还是复制语义。

回想起上一节提到的TaskContext,我们的 任务控制块 中需要保存的两部分也就知道了:

TaskContext保存任务上下文
TaskStatus保存任务状态

因此用rust构建这样一个结构体:

// os/src/task/task.rs

#[derive(Copy, Clone)]
pub struct TaskControlBlock {
    pub task_status: TaskStatus,
    pub task_cx: TaskContext,
}

任务管理器

那么有了TaskControlBlock,就可以实现一个任务管理器.

任务管理器需要管理多个任务,于是就需要知道:

app 总数
当前的任务
每个任务的 控制块
1. 任务状态
2. 任务 上下文

这里使用了 常量和变量分离的方法 来实现它.

// os/src/task/mod.rs

pub struct TaskManager {
    num_app: usize,
    inner: UPSafeCell<TaskManagerInner>,
}

struct TaskManagerInner {
    tasks: [TaskControlBlock; MAX_APP_NUM],
    current_task: usize,
}

这是因为num_app是常量不需要变化,而inner是变量,需要用UPSafeCell,保证其 内部可变性 和 单核时 安全的借用能力.

这里在官方文档里提到了:

在第二章的AppManager是可以通过current_app推测到 上/下任务 的.
但是在TaskManger里的TaskManagerInner的current_task是只能感知当前任务.

为TaskManager创建全局实例TASK_MANAGER,仍然使用 懒初始化 的方法:

// os/src/task/mod.rs

lazy_static! {
    pub static ref TASK_MANAGER: TaskManager = {
        let num_app = get_num_app();
        let mut tasks = [
            TaskControlBlock {
                task_cx: TaskContext::zero_init(),
                task_status: TaskStatus::UnInit
            };
            MAX_APP_NUM
        ];
        for i in 0..num_app {
            tasks[i].task_cx = TaskContext::goto_restore(init_app_cx(i));
            tasks[i].task_status = TaskStatus::Ready;
        }
        TaskManager {
            num_app,
            inner: unsafe { UPSafeCell::new(TaskManagerInner {
                tasks,
                current_task: 0,
            })},
        }
    };
}

这个初始化顺序是:

使用 上一节实现 的 get_num_app来获取任务数量
创建一个TaskControlBlock的数组 ,大小为 设定好的 MAX_APP_NUM.
然后通过 上一节实现的 init_app_cx 来获取每个 已经加载到内存 的任务上下文.
把所有的任务都 初始化 为 Ready 状态.
然后用 匿名函数 的方式得到的 task 和初始化为0的current_task创建一个匿名 TaskManagerInner,随后包裹在 UPSafeCell 之中,和num_app一起创建一个TaskManager,传给TASK_MANAGER.

实现 sys_yield 和 sys_exit 系统调用

类似于上一章实现的 内核层 的syscall函数中会根据 函数代码 调用函数.

我们需要理解到的一点就是:

应用层 的 syscall 函数只是使用 ecall 触发Trap.
内核层 的 syscall函数才是真的具体实现.

我们现在讲的是 内核层具体实现 调用的函数,其作用是在syscall中作为一个分支 :

// os/src/syscall/process.rs

use crate::task::suspend_current_and_run_next;

pub fn sys_yield() -> isize {
    suspend_current_and_run_next();
    0
}

这个是sys_yield,用于暂停当前的应用并切换到下个应用.

看它的具体实现实际上是 抽象化 了suspend_current_and_run_next接口,使得接口名称一致 .

这时候要考虑我们上一章实现的sys_exit:

//! App management syscalls
use crate::loader::run_next_app;
use crate::println;

/// task exits and submit an exit code
pub fn sys_exit(exit_code: i32) -> ! {
    println!("[kernel] Application exited with code {}", exit_code);
    run_next_app()
}

打印了LOG之后,使用run_next_app切换到下一个APP.

那么考虑到现在run_next_app已经不适合于当前的有 任务调度 的系统,所以也要对sys_exit的具体实现进行修改.

// os/src/syscall/process.rs

use crate::task::exit_current_and_run_next;

pub fn sys_exit(exit_code: i32) -> ! {
    println!("[kernel] Application exited with code {}", exit_code);
    exit_current_and_run_next();
    panic!("Unreachable in sys_exit!");
}

可以看到现在的具体实现是 抽象化 了exit_current_and_run_next接口,使得接口名称一致 .

接下来我们只需要 具体实现 ,刚刚提到的两个接口就行了:

// os/src/task/mod.rs

pub fn suspend_current_and_run_next() {
    mark_current_suspended();
    run_next_task();
}

pub fn exit_current_and_run_next() {
    mark_current_exited();
    run_next_task();
}

这里摘抄出具体实现,但是具体实现中还是有三个函数 有待实现 :

mark_current_suspended
mark_current_exited
run_next_task

他们的具体实现要和上一章和上一节的实现对比:

上一章: 加载应用 然后 修改程序指针 直接开始运行 .
上一节:直接 修改程序指针 直接开始运行.

这一章的实现是不同的,是通过 修改用户的状态 ,解决.

// os/src/task/mod.rs

fn mark_current_suspended() {
    TASK_MANAGER.mark_current_suspended();
}

fn mark_current_exited() {
    TASK_MANAGER.mark_current_exited();
}

impl TaskManager {
    fn mark_current_suspended(&self) {
        let mut inner = self.inner.borrow_mut();
        let current = inner.current_task;
        inner.tasks[current].task_status = TaskStatus::Ready;
    }

    fn mark_current_exited(&self) {
        let mut inner = self.inner.borrow_mut();
        let current = inner.current_task;
        inner.tasks[current].task_status = TaskStatus::Exited;
    }
}

然后再通过run_next_task来(根据状态) 决定(可以叫调度吗?对的...不对...对的对的...不对) 下一步要运行哪个Task.

// os/src/task/mod.rs

fn run_next_task() {
    TASK_MANAGER.run_next_task();
}

impl TaskManager {
    fn run_next_task(&self) {
        if let Some(next) = self.find_next_task() {
            let mut inner = self.inner.exclusive_access();
            let current = inner.current_task;
            inner.tasks[next].task_status = TaskStatus::Running;
            inner.current_task = next;
            let current_task_cx_ptr = &mut inner.tasks[current].task_cx as *mut TaskContext;
            let next_task_cx_ptr = &inner.tasks[next].task_cx as *const TaskContext;
            drop(inner);
            // before this, we should drop local variables that must be dropped manually
            unsafe {
                __switch(
                    current_task_cx_ptr,
                    next_task_cx_ptr,
                );
            }
            // go back to user mode
        } else {
            panic!("All applications completed!");
        }
    }
}

这里也是分为两部分:

run_next_task是对TASK_MANAGER.run_next_task();的封装.
对TaskManager结构体的run_next_task方法的实现.
1. 首先就是if let这种模式匹配写法,最开始没有掌握rust的开发技术,因此不懂.
  1. 这时候查阅Rust圣经.关于if let的部分.
    1. 当只需要进行一次匹配的时候就可以使用这个方法.
    2. 使用匹配是为了解决用简单的 == 不能解决 复杂类型 匹配的情况.
    3. 使用if let而不是match是为了解决只有None和非None两种情况的简单写法.
  2. 查阅Rust圣经.关于Some的部分.
    1. Option枚举有两种可能
      1. Some代表有值,Some包裹的内容就是它的值
        
        一个在定义枚举类型的时候是 Some(T),T代表的是类型.Some(i32)就代表可以存储i32类型的值.
        
        在实例的时候Some(T)可以被实例化Some(3),就代表这个值存在且值为3.
      2. None代表没值
  3. 因此这一段的结果意思是:
    1. 如果self.find_next_task()的结果不是None,那么对应的返回值应该是Some(next).
    2. 下面的逻辑里的next就是返回的Some()里包裹的next.代表 下一个任务的任务号 .
2. 随后获取TaskManager.inner的单线程可变借用.
3. 从上一步的结果中获取 当前任务.
4. 将 下一个任务 的状态改为 运行中 .
5. 把当前任务号改为 刚刚获取到的下一个任务号 .
6. 分别获取 当前和下一个 任务上下文.
7. 主动释放获取到的TaskManager.inner.
  1. 因为如果不去主动释放要等函数运行结束才能继续访问这个TaskManager.inner里的内容.
  2. __switch需要操作TaskManager.inner里的task.task_cx的内容.
8. 使用 上一节实现的 __switch 完成任务栈切换,如果已经忘了可以回去看看.

可以看到find_next_task是一个重要的方法,它的实现是这样的:

// os/src/task/mod.rs

impl TaskManager {
    fn find_next_task(&self) -> Option<usize> {
        let inner = self.inner.exclusive_access();
        let current = inner.current_task;
        (current + 1..current + self.num_app + 1)
            .map(|id| id % self.num_app)
            .find(|id| {
                inner.tasks[*id].task_status == TaskStatus::Ready
            })
    }
}

它在获取TaskManager.inner的单线程可变借用之后对current_task为开头( 不包含它本身 )把整个数组看成一个 环形队列 然后逐个去 查询状态 , 直到找到 第一个 状态为准备的任务.

这里关于Rust语言,每次我们遇到不会了的,不是光把它搞懂,还要把它上一层的偏概念性的东西搞懂.

这里用到的就是闭包和 迭代器 的知识:

迭代器跟 for 循环颇为相似，都是去遍历一个集合，但是实际上它们存在不小的差别，其中最主要的差别就是：是否通过索引来访问集合。
1. Iterator Trait 的 map 方法: Rust中的迭代器（Iterator）有一个map方法，它接收一个闭包（closure），并将迭代器中的每个元素传递给这个闭包。map方法会生成一个新的迭代器，其中的元素是闭包返回的结果。
2. 迭代器有一个find方法，它接收一个闭包作为参数。该闭包定义了要查找的条件，当迭代器中的元素满足这个条件时，find方法就会返回一个Option类型的结果，其中包含找到的第一个匹配项或者None如果没有任何元素满足条件。
闭包一种匿名函数，它可以赋值给变量也可以作为参数传递给其它函数，不同于函数的是，它允许捕获调用者作用域中的值.
1. 有点像是某种C里的 函数宏 ,用 do...while封装起来的这种.因此可以偷取别的作用域的变量来用.

这张图太好了:

第一次进入用户态

回想上一章,我们使用run_next_app调用了__restore调用sret回到用户态.

目前我们要第一次进入用户态应该也需要sret才可以.

但是思考一下上一章我们学到的__switch的实现,显然它是 不改变 特权级的.

因此第一次进入用户态还是要依赖__restore.

为了使用__restore则需要构建Trap上下文,把 上一节 实现的init_app_cx,移动到loader.rs:

// os/src/loader.rs

pub fn init_app_cx(app_id: usize) -> usize {
    KERNEL_STACK[app_id].push_context(
        TrapContext::app_init_context(get_base_i(app_id), USER_STACK[app_id].get_sp()),
    )
}

再给TaskContext构造一个 构建第一次执行任务的上下文 的方法:

// os/src/task/context.rs

impl TaskContext {
    pub fn goto_restore(kstack_ptr: usize) -> Self {
        extern "C" { fn __restore(); }
        Self {
            ra: __restore as usize,
            sp: kstack_ptr,
            s: [0; 12],
        }
    }
}

在这个操作之中,

传入了一个 内核栈指针 .
使用如下内容构建一个 TaskContext.
1. 内核栈指针作为 任务上下文的栈指针 .
2. __restore的函数地址作为 函数调用完毕返回地址 .也就是说 __switch的ret执行完毕之后执行__restore.
3. 空的s0~s12.

需要注意的是， __restore 的实现需要做出变化：它 不再需要 在开头 mv sp, a0 了。因为在 __switch 之后，sp 就已经正确指向了我们需要的 Trap 上下文地址。

然后在创建 TaskManager 的全局实例 TASK_MANAGER 的时候为 每个任务上下文 , 初始化为由如下内容组成的TaskContext:

链接进去 的任务内存位置决定的 每个任务的内核栈指针 作为栈指针.
__restore作为 函数调用完毕返回地址 .
空的s0~s12.

为TaskContext构建一个 执行第一个任务 的方法:

impl TaskManager {
    fn run_first_task(&self) -> ! {
        let mut inner = self.inner.exclusive_access();
        let task0 = &mut inner.tasks[0];
        task0.task_status = TaskStatus::Running;
        let next_task_cx_ptr = &task0.task_cx as *const TaskContext;
        drop(inner);
        let mut _unused = TaskContext::zero_init();
        // before this, we should drop local variables that must be dropped manually
        unsafe {
            __switch(
                &mut _unused as *mut TaskContext,
                next_task_cx_ptr,
            );
        }
        panic!("unreachable in run_first_task!");
    }

这段代码可以这样理解:

获取 单线程的借用 .
获取第一个 任务块的指针 .
随后把这个任务设置为 运行状态 .
获取这个任务的 上下文 .
由于后续要使用__switch因此需要 主动释放 这个借用.
使用__switch调用
1. 由zero_init构建的一个全空的上下文.
2. 第一个任务 的上下文.

这时候这个执行顺序有点乱了,我尝试画一个流程图.

首先是这章实现的结构体TaskManager的结构:

初始化 的流程为:

初始化后的TASK_MANAGER:

调用run_fist_app之后发生了什么:

这时候考虑APP发生挂起的时候会发生什么:

尝试构建本章实验

首先先看用户层的APP,回想对于用户层 有影响 的改动:

实现yield接口以挂起应用程序.
这里注意修改exit的实现并不影响用户层.

其实从 写代码的用户 来看对用户层没有任何影响的.

但是如果我们不调用yield我们怎么体现我们这章的内容呢?那不是还是 顺序执行 ?

"诶呦,这不是显得您枪法准吗?"------不执行yeild的应用程序

"不对啊,我是主角啊!"------协作式调度

创建APP

于是我们需要重新设计几个APP,而且可以在 执行耗时操作 之后主动使用yield释放CPU.

这里官方代码设计了00write_a.rs,01write_b.rs,02write_c.rs,三个APP.

分别用于打印HEIGHT行有WIDTH个的A,B和C.并且都调用了yield,用于挂起应用,这样和顺序执行相比就会有区别.

这里我们把原来的user/src/bin下的APP全部都移到user/src/temp下,然后在user/src/bin里创建如上三个文件.

实现用户层yield

和上一章一样,只要明白用户层的调用是套壳的就很容易写出来:

约定调用号
调用syscall
封装成函数

在user/src/syscall.rs里完成 前两步 :

const SYSCALL_YIELD: usize = 124;

pub fn sys_yield() -> isize {
    syscall(SYSCALL_YIELD, [0, 0, 0])
}

这个传入的参数其实也很暧昧 , 因为实际上这里这么写相当于 默认了 不需要传输其他参数到内核层.
.
这里理解为 只是一步挂起操作不需要更多信息 .

在user/src/lib.rs里完成 第三步:

pub fn yield_() -> isize {
    sys_yield()
}

编译APP

这时候进行编译,以得到.bin文件:

cd user
make clean
make build

实现内核层的操作

syscall模块

对应用户层,真正执行用户层的指令的是内核层:

对应约定好的调用号调用函数
实现需要调用的函数
1. 修改sys_exit
2. 实现sys_yield

在os/src/syscall/mod.rs里完成 第一步 :

const SYSCALL_YIELD: usize = 124;

pub fn syscall(syscall_id: usize, args: [usize; 3]) -> isize {
    match syscall_id {
        SYSCALL_WRITE => sys_write(args[0], args[1] as *const u8, args[2]),
        SYSCALL_EXIT => sys_exit(args[0] as i32),
        SYSCALL_YIELD => sys_yield(),
        _ => panic!("Unsupported syscall_id: {}", syscall_id),
    }
}

在os/src/syscall/process.rs里完成 第二步:

use crate::task::{exit_current_and_run_next, suspend_current_and_run_next};

/// task exits and submit an exit code
pub fn sys_exit(exit_code: i32) -> ! {
    println!("[kernel] Application exited with code {}", exit_code);
    exit_current_and_run_next();
    panic!("Unreachable in sys_exit!");
}

/// current task gives up resources for other tasks
pub fn sys_yield() -> isize {
    suspend_current_and_run_next();
    0
}

这里调用的exit_current_and_run_next和suspend_current_and_run_next都需要在task模块里是实现.

task模块

回忆有关于task的冗杂的数据结构,我们全部都要在这个模块里实现.

首先需要创建os/src/task文件夹
在文件夹中创建context.rs用来实现数据结构TaskContext.
1. 储存如图上所示的上下文
2. 因为TaskContext在第一次初始化的时候需要, __swtich调用一个空的TaskContext和第一个任务的TaskContext进行切换
  1. 实现一个生成 空结构 的方法
  2. 实现一个 每个任务的初始化 方法
在文件夹中创建task.rs实现枚举类型 TaskControlBlock用来保存单个任务信息.
1. 实现TaskStatus枚举任务状态
2. 用TaskContext保存任务上下文.
封装__switch,实现上下文切换.
在文件夹中创建mod.rs用来实现数据结构TaskManager
1. 储存num_app
2. 实现数据结构TaskManagerInner
  1. 储存当前任务current_task
  2. 实现数据结构TaskControlBlock,储存TaskControlBlock的数组tasks
3. 用UPSafeCell包裹TaskManagerInner
4. 它需要有几个功能,要实现成对应的方法:
  1. 挂起/关闭任务
    1. 挂起并执行下一个任务
      1. 标记挂起
      2. 寻找下一个任务
      3. 执行下一个任务
    2. 关闭并执行下一个任务
      1. 标记关闭
      2. 寻找下一个任务
      3. 执行下一个任务
  2. 执行 第一个 任务
在mod.rs中懒初始化一个全局的TaskManager

context.rs

如上所述:

//! Implementation of [`TaskContext`]

/// Task Context
#[derive(Copy, Clone)]
#[repr(C)]
pub struct TaskContext {
    /// return address ( e.g. __restore ) of __switch ASM function
    ra: usize,
    /// kernel stack pointer of app
    sp: usize,
    /// callee saved registers:  s 0..11
    s: [usize; 12],
}

impl TaskContext {
    /// init task context
    pub fn zero_init() -> Self {
        Self {
            ra: 0,
            sp: 0,
            s: [0; 12],
        }
    }

    /// set task context {__restore ASM funciton, kernel stack, s_0..12 }
    pub fn goto_restore(kstack_ptr: usize) -> Self {
        extern "C" {
            fn __restore();
        }
        Self {
            ra: __restore as usize,
            sp: kstack_ptr,
            s: [0; 12],
        }
    }
}

这里需要注意的就是有类似于JAVA里的直接对象传递,深浅拷贝,C++的拷贝构造相关的东西.

这周复杂的结构体一定要使用#[derive(Copy, Clone)]为它实现拷贝方法.#[derive(Copy, Clone)] 是 Rust 语言中的一个属性宏，用于自动为结构体（struct）或枚举（enum）实现 Copy 和 Clone trait。

Copy trait 表示类型的数据可以被复制，而不需要所有权转移。当一个值类型实现了 Copy，意味着你可以无需任何额外成本地将该值复制给另一个变量。这通常适用于简单的数据类型，如整数、浮点数等，因为它们的复制成本较低。
Clone trait 则提供了一个 .clone() 方法，用于创建类型的一个副本。与 Copy 不同，Clone 可以用于更复杂的数据类型，包括那些包含指针或者需要较深拷贝的数据结构。使用 .clone() 方法会调用分配器，因此可能有额外的性能开销。

task.rs

如上所述:

//! Types related to task management

use super::TaskContext;

#[derive(Copy, Clone)]
pub struct TaskControlBlock {
    pub task_status: TaskStatus,
    pub task_cx: TaskContext,
}

#[derive(Copy, Clone, PartialEq)]
pub enum TaskStatus {
    UnInit,
    Ready,
    Running,
    Exited,
}

switch.rs

如上所述,需要封装一个switch函数来保证在调用__switch时的自动上下文保存.

因此需要创建os/src/task/switch.rs和os/src/task/switch.S用以实现.

switch.rs内容,明确指定了传入的两个参数的指针类型:

use super::TaskContext;
use core::arch::global_asm;

global_asm!(include_str!("switch.S"));

extern "C" {
    pub fn __switch(current_task_cx_ptr: *mut TaskContext, next_task_cx_ptr: *const TaskContext);
}

switch.S内容,就是上一节讲的__switch函数:

.altmacro
.macro SAVE_SN n
    sd s\n, (\n+2)*8(a0)
.endm
.macro LOAD_SN n
    ld s\n, (\n+2)*8(a1)
.endm
    .section .text
    .globl __switch
__switch:
    # __switch(
    #     current_task_cx_ptr: *mut TaskContext,
    #     next_task_cx_ptr: *const TaskContext
    # )
    # save kernel stack of current task
    sd sp, 8(a0)
    # save ra & s0~s11 of current execution
    sd ra, 0(a0)
    .set n, 0
    .rept 12
        SAVE_SN %n
        .set n, n + 1
    .endr
    # restore ra & s0~s11 of next execution
    ld ra, 0(a1)
    .set n, 0
    .rept 12
        LOAD_SN %n
        .set n, n + 1
    .endr
    # restore kernel stack of next task
    ld sp, 8(a1)
    ret

因为每次调用__restore的时候已经由__switch把sp指向TrapContext了,因此需要去掉:

mv sp, a0

在把它引用为一个函数时也要变化:

// 之前
extern "C" {
	fn __restore(cx_addr: usize);
}
// 现在
extern "C" {
	fn __restore();
}

mod.rs

如上所述,实现这两个结构体:

pub struct TaskManager {
    num_app: usize,
    inner: UPSafeCell<TaskManagerInner>,
}

struct TaskManagerInner {
    current_task: usize,
    tasks: [TaskControlBlock; MAX_APP_NUM],
}

实现的方法:

impl TaskManager
{
    fn run_first_task(&self) ->!
    {
        let mut inner = self.inner.exclusive_access();
        let task0 = &mut inner.tasks[0];
        task0.task_status = TaskStatus::Running;
        let next_task_cx_ptr = &task0.task_cx as *const TaskContext;
        let mut _unused = TaskContext::zero_init();
        drop(inner);
        unsafe 
        {
            __switch(&mut _unused as *mut TaskContext, next_task_cx_ptr)
        }
        panic!("unreachable in run_first_task");    
    }

    fn mark_current_suspended(&self)
    {
        let mut inner = self.inner.exclusive_access();
        let current = inner.current_task;
        inner.tasks[current].task_status = TaskStatus::Ready;
    }

    fn mark_current_exited(&self)
    {
        let mut inner = self.inner.exclusive_access();
        let current = inner.current_task;
        inner.tasks[current].task_status = TaskStatus::Exited;
    }

    fn find_next_task(&self) -> Option<usize>
    {
        let inner = self.inner.exclusive_access();
        let current = inner.current_task;
        (current + 1..current+1+self.num_app)
            .map(|id| id%self.num_app)
            .find(|id| inner.tasks[*id].task_status == TaskStatus::Ready)
    }

    fn run_next_task(&self)
    {
        if let Some(next) = self.find_next_task()
        {
            let mut inner = self.inner.exclusive_access();
            let current = inner.current_task;
            inner.current_task = next;
            inner.tasks[next].task_status = TaskStatus::Running;
            let current_task_cx_ptr = &mut inner.tasks[current].task_cx as *mut TaskContext;
            let next_task_cx_ptr = &mut inner.tasks[next].task_cx as *const TaskContext;
            drop(inner);
            unsafe
            {
                __switch(current_task_cx_ptr, next_task_cx_ptr)
            }
        }
        else
        {
            println!("All applications completed!");
            shutdown(false);
        }
    }
}


lazy_static!
{
    /// 全局单例的任务管理器
    pub static ref TASK_MANAGER: TaskManager = 
    {
        let num_app = get_num_app();
        let mut tasks = [TaskControlBlock{
            task_status: TaskStatus::UnInit,
            task_cx: TaskContext::zero_init(),
        }
        ; MAX_APP_NUM];
        for(i,task) in tasks.iter_mut().enumerate()
        {
            task.task_cx = TaskContext::goto_restore(init_app_cx(i));
            task.task_status = TaskStatus::Ready;
        }
        TaskManager
        {
            num_app,
            inner: unsafe
            {
                UPSafeCell::new(TaskManagerInner
                {
                    tasks,
                    current_task: 0,
                })
            }
        }
    };
}

这里注意使用__switch之前一定要主动drop(inner).

懒初始化的单例对象:

lazy_static!
{
    pub static ref TASK_MANAGER: TaskManager = 
    {
        let num_app = get_num_app();
        let mut tasks = [TaskControlBlock{
            task_status: TaskStatus::UnInit,
            task_cx: TaskContext::zero_init(),
        }
        ; MAX_APP_NUM];
        for(i,task) in tasks.iter_mut().enumerate()
        {
            task.task_cx = TaskContext::goto_restore(init_app_cx(i));
            task.task_status = TaskStatus::Ready;
        }
        TaskManager
        {
            num_app,
            inner: unsafe
            {
                UPSafeCell::new(TaskManagerInner
                {
                    tasks,
                    current_task: 0,
                })
            }
        }
    };
}

对这个单例对象的操作的封装:

pub fn run_first_task() {
    TASK_MANAGER.run_first_task();
}

fn mark_current_suspended()
{
    TASK_MANAGER.mark_current_suspended();
}

fn mark_current_exited()
{
    TASK_MANAGER.mark_current_exited();
}

fn run_next_task()
{
    TASK_MANAGER.run_next_task();
}


pub fn suspend_current_and_run_next()
{
    mark_current_suspended();
    run_next_task();
}

pub fn exit_current_and_run_next()
{
    mark_current_exited();
    run_next_task();
}

修改Trap调用

因为现在已经没有run_next_app了只有新实现的suspend_current_and_run_next和exit_current_and_run_next.

因此把出现非法调用的切换APP的API修改为exit_current_and_run_next..

// use crate::loader::run_next_app;

#[no_mangle]
/// handle an interrupt, exception, or system call from user space
pub fn trap_handler(cx: &mut TrapContext) -> &mut TrapContext {
    let scause = scause::read(); // get trap cause
    let stval = stval::read(); // get extra value
    match scause.cause() {
        Trap::Exception(Exception::UserEnvCall) => {
            cx.sepc += 4;
            cx.x[10] = syscall(cx.x[17], [cx.x[10], cx.x[11], cx.x[12]]) as usize;
        }
        Trap::Exception(Exception::StoreFault) | Trap::Exception(Exception::StorePageFault) => {
            println!("[kernel] PageFault in application, kernel killed it.");
            exit_current_and_run_next();
        }
        Trap::Exception(Exception::IllegalInstruction) => {
            println!("[kernel] IllegalInstruction in application, kernel killed it.");
            exit_current_and_run_next();
        }
        _ => {
            panic!(
                "Unsupported trap {:?}, stval = {:#x}!",
                scause.cause(),
                stval
            );
        }
    }
    cx
}

这里在查看参考代码的时候看到一个很好的操作,虽然参考代码是出现权限错误就直接报panic.

#[no_mangle]
/// handle an interrupt, exception, or system call from user space
pub fn trap_handler(cx: &mut TrapContext) -> &mut TrapContext {
    let scause = scause::read(); // get trap cause
    let stval = stval::read(); // get extra value
    match scause.cause() {
        Trap::Exception(Exception::UserEnvCall) => {
            cx.sepc += 4;
            cx.x[10] = syscall(cx.x[17], [cx.x[10], cx.x[11], cx.x[12]]) as usize;
        }
        Trap::Exception(Exception::StoreFault) | Trap::Exception(Exception::StorePageFault) => {
            println!("[kernel] PageFault in application, bad addr = {:#x}, bad instruction = {:#x}, kernel killed it.", stval, cx.sepc);
            panic!("[kernel] Cannot continue!");
            //run_next_app();
        }
        Trap::Exception(Exception::IllegalInstruction) => {
            println!("[kernel] IllegalInstruction in application, kernel killed it.");
            panic!("[kernel] Cannot continue!");
            //run_next_app();
        }
        _ => {
            panic!(
                "Unsupported trap {:?}, stval = {:#x}!",
                scause.cause(),
                stval
            );
        }
    }
    cx
}

这里的:

println!("[kernel] PageFault in application, bad addr = {:#x}, bad instruction = {:#x}, kernel killed it.", stval, cx.sepc);

sepc保存的是 发生异常的指令 .

stval保存的是了陷入（trap）的附加信息:

地址例外中出错的地址
发生非法指令例外的指令本身
对于其他异常，它的值为 0

有了这两个寄存器的硬件帮助,我们实现一些东西也变得简单了起来,这里可以用于完成 第二章 作业第五题.

修改main函数

把run_next_app改成run_first_task即可:

/// the rust entry-point of os
#[no_mangle]
pub fn rust_main() -> ! {
    extern "C" {
        fn stext(); // begin addr of text segment
        fn etext(); // end addr of text segment
        fn srodata(); // start addr of Read-Only data segment
        fn erodata(); // end addr of Read-Only data ssegment
        fn sdata(); // start addr of data segment
        fn edata(); // end addr of data segment
        fn sbss(); // start addr of BSS segment
        fn ebss(); // end addr of BSS segment
        fn boot_stack_lower_bound(); // stack lower bound
        fn boot_stack_top(); // stack top
    }
    clear_bss();
    logging::init();
    println!("[kernel] Hello, world!");
    trace!(
        "[kernel] .text [{:#x}, {:#x})",
        stext as usize,
        etext as usize
    );
    debug!(
        "[kernel] .rodata [{:#x}, {:#x})",
        srodata as usize, erodata as usize
    );
    info!(
        "[kernel] .data [{:#x}, {:#x})",
        sdata as usize, edata as usize
    );
    warn!(
        "[kernel] boot_stack top=bottom={:#x}, lower_bound={:#x}",
        boot_stack_top as usize, boot_stack_lower_bound as usize
    );
    error!("[kernel] .bss [{:#x}, {:#x})", sbss as usize, ebss as usize);
    trap::init();
    println!("[kernel] trap init end");
    loader::load_apps();
    task::run_first_task();
    panic!("Unreachable in rust_main!");
}

编译运行

make run

运行结果:

[rustsbi] RustSBI version 0.3.1, adapting to RISC-V SBI v1.0.0
.______       __    __      _______.___________.  _______..______   __
|   _  \     |  |  |  |    /       |           | /       ||   _  \ |  |
|  |_)  |    |  |  |  |   |   (----`---|  |----`|   (----`|  |_)  ||  |
|      /     |  |  |  |    \   \       |  |      \   \    |   _  < |  |
|  |\  \----.|  `--'  |.----)   |      |  |  .----)   |   |  |_)  ||  |
| _| `._____| \______/ |_______/       |__|  |_______/    |______/ |__|
[rustsbi] Implementation     : RustSBI-QEMU Version 0.2.0-alpha.2
[rustsbi] Platform Name      : riscv-virtio,qemu
[rustsbi] Platform SMP       : 1
[rustsbi] Platform Memory    : 0x80000000..0x88000000
[rustsbi] Boot HART          : 0
[rustsbi] Device Tree Region : 0x87000000..0x87000f02
[rustsbi] Firmware Address   : 0x80000000
[rustsbi] Supervisor Address : 0x80200000
[rustsbi] pmp01: 0x00000000..0x80000000 (-wr)
[rustsbi] pmp02: 0x80000000..0x80200000 (---)
[rustsbi] pmp03: 0x80200000..0x88000000 (xwr)
[rustsbi] pmp04: 0x88000000..0x00000000 (-wr)
[kernel] Hello, world!
[kernel] trap init end
AAAAAAAAAA [1/5]
BBBBBBBBBB [1/2]
CCCCCCCCCC [1/3]
AAAAAAAAAA [2/5]
BBBBBBBBBB [2/2]
CCCCCCCCCC [2/3]
AAAAAAAAAA [3/5]
Test write_b OK!
[kernel] Application exited with code 0
CCCCCCCCCC [3/3]
AAAAAAAAAA [4/5]
Test write_c OK!
[kernel] Application exited with code 0
AAAAAAAAAA [5/5]
Test write_a OK!
[kernel] Application exited with code 0
All applications completed!

posted @ 2024-08-10 19:12 winddevil 阅读(98) 评论(0) 编辑收藏举报

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坚强的活下去

[rCore学习笔记 024]多道程序与协作式调度

写在前面

本节重点

多道程序背景与 yield 系统调用

sys_yield 的缺点

sys_yield 的标准接口

任务控制块与任务运行状态

任务管理器

实现 sys_yield 和 sys_exit 系统调用

第一次进入用户态

尝试构建本章实验

创建APP

实现用户层yield

编译APP

实现内核层的操作

syscall模块

task模块

context.rs

task.rs

switch.rs

mod.rs

修改Trap调用

修改main函数

编译运行

公告

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第一次进入用户态

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