一个简单的时间片轮转多道程序内核代码分析
郑斌 原创作品转载请注明出处
《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000
第二周的实验内容分析
1.实验环境：实验楼中执行。
2.程序代码
整个程序主要由3个文件构成：
1）mypcb.h。 主要定义了进程结构体
2）mymain.c。 主要定义了my_start_kernel初始化第一个进程的函数，和my_process实现进程运行输出和调度。
3) myinterrupt.c。 主要定义了my_time_handler函数通过计时器设置进程是否需要调度，实现分时，my_schedule函数实现进程调度，完成上一个进程的现场保存和转到下一个进程的功能。
具体代码如下：
mypcb.h
/* * 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);
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); } } }
myinterrupt.c
#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; }
3.实验过程。
进入实验楼，在对应文件目录下，把3个文件编辑到mykernel文件夹下，然后make编译
4.程序代码分析
为了方便说明，本文中把代码中的进程根据下标叫为进程(pid)，如进程(0)即为刚开始的0号进程。
整个代码部分，CPU从my_start_kernel开始执行
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];
先是初始化了进程(0)的信息。这里主要关注两点：
1.task_entry=thread.ip=my_process。
我的理解是进程的eip，即执行内容为my_process函数. 前面加(unsigned long)表示该函数执行的入口地址。
2.thread.sp 的赋值表达式是(unsigned long)&task[i].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1]
我们回顾在mypcb.h中定义PCB部分
所以进程(0)的sp是从stack字符串的末尾开始的，符合第一周课程中的栈地址从高地址向低地址。
然后是复制另外几个进程的信息。
state = -1 表示开始未执行。
这里有个小细节挺有意思，开始乍一看我以为这样写没有进程的下一个进程是进程(0)。
然后分析task[i].next = task[i-1].next;
task[i-1].next = &task[i];
这两条语句，手写模拟后发现其实不是那样的，最后的数组next情况是
task.next[] task[0] task[1] task[2] task[3]
对应内容 task[1] task[2] task[3] task[0]
然后执行
关键字说明：
asm表示嵌入式汇编，其中%0，%1等表示下面的参数，可以简单理解为函数参数，如此处%0表示task[pid].thread.ip，其他情况类似。
volatile表示编译器不需要优化的代码。
我们来观察其中的汇编代码部分。 注意当前的堆栈是进程(0)的堆栈空间
"movl %1,%%esp\n\t" /* set task[pid].thread.sp to esp，此时esp是进程(0)的thread.sp*/
"pushl %1\n\t" /* push ebp ，把进程(0)的thread.sp压栈，因为当前进程(0)的栈为空，ebp跟esp指向相同，所以相当于把ebp压栈*/
"pushl %0\n\t" /* push task[pid].thread.ip ，把进程(0)的thread.ip压栈*/
"ret\n\t" /* pop task[pid].thread.ip to eip ，eip为进程(0)的thread.ip，接下来开始执行my_process函数。*/
"popl %%ebp\n\t" //我觉得这句代码并没有被执行
:
: "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)
下面来看my_process函数。
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); } } }
这段代码中定义了变量i初始值为0，然后一个循环体while(1)中i每次加1，当i为10000000才倍数时，输出“this is process +进程标号”
若变量my_need_sched为1，把my_need_sched值置为0，然后执行my_schedule函数(该函数将在后面分析) 变量my_need_sched初始值为0，用来标记是否需要进行进程切换，0表示不用，1表示要切换。
再来看myinterrupt.c文件里的代码内容。
开头的变量定义有
extern tPCB task[MAX_TASK_NUM]; extern tPCB * my_current_task; extern volatile int my_need_sched; volatile int time_count = 0;
extern表示引用了其他地方（这里为mymain.c）定义了的变量。
函数my_timer_handler分析：
这里我简单理解为代码执行后，内核的定时器也是自动执行的，即my_timer_handler也是自动开始执行。
该函数的功能为每次计时器走一次，即该函数执行一次，time_count变量加1。当time_count为1000的倍数并且my_need_sched为0时候，输出">>>my_timer_handler here<<<"，并把my_need_sched值置为1.表示当前进程需要被调度（这里体现了系统进程调度的分时处理思想）。
then是其中一个非常重要的调度函数my_schedule()。下面我们来进行代码分析。
void my_schedule(void) { //申明两个进程指针 prev和next，用来标记当前进程的pid和下一个进程的pid tPCB * next; tPCB * prev; //特殊情况当前任务和下一个任务都不存在时返回处理 if(my_current_task == NULL || my_current_task->next == NULL) { return; } printk(KERN_NOTICE ">>>my_schedule<<<\n"); /* schedule */ next = my_current_task->next; //next指向当前进程的下一个进程 prev = my_current_task; //prev指向当前进程 /*这里的if将在所有进程（这里是4个）都运行了才执行，前3次都跳转到else的代码部分，所以可以先看下面的else部分的分析后再回到这里*/ 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); } /*程序初始状态只有进程(0)的state为0，其他进程都为-1（见初始化部分），所以if判断的前3次都将执行此部分，依次运行进程(1)、进程(2)、进程(3)并state都标记为0*/ 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_schedule函数的功能为保存当前进程的现场，并调度运行下一个进程。
由于程序初始状态只有进程(0)的state为0，其他进程都为-1（见初始化部分），所以当
前3次调用 my_schedule函数时，if判断的都将执行else{}部分，依次运行进程(1)、进程(2)、进程(3)并state都标记为0。
接下来调用 my_schedule函数时，if判断都执行if(next->state == 0){}部分的代码。
我们先看来if判断中else{}部分的代码。以程序第一次调用my_schedule函数为例，此时进程(0)正在运行。所以栈空间是进程(0)的堆栈空间。
prev为task[0]，即进程(0)，next为task[1]，即进程(1)
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，把ebp压栈 */ "movl %%esp,%0\n\t" /* save esp，保存进程(0)的thread.sp为esp*/ "movl %2,%%esp\n\t" /* restore esp ，置当前esp为进程(1)的esp*/ "movl %2,%%ebp\n\t" /* restore ebp ，进程(1)未开始执行，ebp和ebp指向相同，置当前ebp为进程(1)的ebp */ "movl $1f,%1\n\t" /* save eip ，保存进程(0)的eip为指向标记1：部分的下一条指令，在if的嵌入式汇编代码块中，至此进程(0)的ebp入栈，并保存了esp和eip*/ "pushl %3\n\t" /*把进程(1)的thread.ip压栈*/ "ret\n\t" /* restore eip ，eip指向进程(1)的thread.ip，开始执行进程(1)*/ : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip) : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip) ); }
我们以第四次执行my_schedule函数时为例，将调用if(next->state == 0){}部分的代码，且接下来每次调用my_schedule函数时为例，都将调用if(next->state == 0){}部分的代码。
prev为task[3]，即进程(3)，next为task[0]，即进程(0)。
if(next->state == 0)/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */ { /* switch to next process */ asm volatile( "pushl %%ebp\n\t" /* save ebp ，保存进程(3)的ebp*/ "movl %%esp,%0\n\t" /* save esp ，保存进程(3)的thread.sp为esp*/ "movl %2,%%esp\n\t" /* restore esp，置esp为进程(0)的thread.sp，恢复进程(0)现场的esp */ "movl $1f,%1\n\t" /* save eip ，保存进程(3)的eip为指向标记1：部分的下一条指令
至此进程(3)的ebp入栈，并保存了进程(3)的esp和eip*/ "pushl %3\n\t" /*把进程(0)的thread.ip入栈*/ "ret\n\t" /* restore eip ，eip指向进程(0)的thread.ip，开始恢复执行进程(0)，查看上面分析可以看到即为从下面的汇编指令部分开始执行*/ "1:\t" /* next process start here */ "popl %%ebp\n\t" /*进程(0)开始恢复执行的第一句，先把ebp出栈，这里提现了不同进程有各种工作的堆栈空间*/ : "=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); }
至此代码分析结束，接下来为进程的循环调度工作。
总结：
进程启动运行，会有自己的数据存储空间和堆栈空间。
内核会有定时器自动启动用以实现分时功能。
进程之间的切换要保存现场，包括esp,eip,ebp等。
