基于Linux-3.9.4的mykernel实验环境的极简内核分析

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一、实验环境

　　win10 -> VMware -> Ubuntu16.04 -> QEMU -> linux-3.9.4

二、实验目的

　　1、了解在一个极简内核中，为了实现多进程的切换，需要哪些必要的数据结构；

　　2、了解对于一个OS来说，进程是如何启动以及如何基于时间片轮转对进程进行切换。

三、实验结果

　　

图 1 实验结果　

四、代码分析

　　（1) 对应的PCB（进程控制块）

　　　为了能够实现进程的切换和正常运行，对于每一个进程，都需要有一些必要的资源、参数。比如，对应进程的唯一标识（pid）、进程的状态（state)、每一个进程对应的堆栈（stack)、进程的入口地址（entry)、指向进程队列中位于当前进程的下一进程指针（pnext）等等。

                                                            

图 2 PCB结构体定义

 

                                                       

图 3 进程切换的大致流程图

　　（2）进程切换的逻辑分析

　　具体来讲，对于进程的上下文切换，需要在平常的C代码之间嵌入一些必要的汇编代码，以保存将要被替换的进程的相关信息（现场）以及执行下一的进程，对于新的进程，也并非是从头开始执行（第一次执行除外），而是从上一次被中断的地方继续开始执行。

　　　　　　　　　　　　　　              

图 4 进程切换中实现进程间上下文切换的汇编代码

　　（3）极简内核的整体流程分析

　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

图 5 极简内核整体运行流程图

　　在个人看来，该极简内核的运行在本质上是一个死循环，在这个死循环中，基于固定时间片轮转思想，修改进程切换标志，在该死循环中查询进程切换标志，如果符合要求，则进行进程的切换，否则继续执行当前进程，不进行进程切换。当然，这个死循环，是由内核中的0号进程触发。0号进程是内核启动起来，经过相应的初始化之后，执行的第一个进程。

　　　　　　　　　　　　                          

图 6 my_start_kernel中对0号进程的初始化

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  图 7 my_start_kernel中对进程链表的初始化（包括PCB初始化）

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

图 8 my_start_kernel中执行的第一个进程（0号进程）

　　       　　　　　　　　　　　　　　　　 

图 9 时间片的实现（系统时钟中断　　　　　　

　

图 10 0号进程死循环查询是否执行进程切换

 

四、总结

　　通过分析实验代码，比较清楚地了解一个简单的时间片轮转多道操作系统内核，了解了操作系统的中断上下文和进程上下文切换。对于当前执行的进程来说，如果被分配到的时间片执行完，CPU 则会进行相应的进程切换。其中的调度程序，就是在维护一个就绪进程队列，当进程用完属于它的时间片后，在队列中就会按照优先级重新排序。这种调度方式，应该是属于一种比较简单、公平同时也是比较高效的方式。