一、回顾

在之前的课程中，我们学习了 EPROCESS, ETHREAD, KPCR 等重要的内核结构体，学习了存储等待线程的等待链表和调度线程的调度链表，这些知识都是为了后面学习线程切换打的基础。

这次课，我们将学习老师提供的模拟Windows线程切换的源码，这份代码可以在3环模拟线程调度，有助于我们理解真正的Windows线程调度源码。

二、运行结果

这份代码是我照着视频抄的（见文末），在后续的学习中，我们要往里面加东西，所以建议不要做过多的修改。

三、RegisterGMThread, InitGMThread, GMThreadStartup

void RegisterGMThread(char *name, void (*func)(void *lpParameter), void *lpParameter);
void InitGMThread (GMThread_t *GMThreadp, char *name, void (*func)(void *lpParameter), void *lpParameter);

RegisterGMThread 函数负责创建线程，它遍历线程调度队列，找到一个空位作为新线程结构体，然后调用 InitGMThread 初始化。

InitGMThread 函数负责初始化线程结构体；为线程申请堆栈内存；向堆栈压入必要的初始数据，包括线程结构体指针，GMThreadStartup 函数指针，以及一堆寄存器的初始值（PS. 压栈用的 PushStack 函数不解释）；最后设置线程状态为“就绪”。

这里所做的所有压栈操作，没有一步是多余的。

7个寄存器是线程恢复时要pop的值，这里设置成0，表示第一次调度时给寄存器设置初始值0，也可以改成其他值。

所有线程都要通过 GMThreadStartup 函数调用自己的线程入口函数，而调用 GMThreadStartup 函数的地方以及传参的过程设计非常巧妙，这一步发生在 SwitchContext 函数中，恢复线程后，pop了7个寄存器，esp就指向了 GMThreadStartup，此时 SwitchContext 调用 ret 指令，就跳转到 GMThreadStartup 函数，完全模拟了 call 调用的堆栈，那个看起来没用的堆栈平衡值其实模拟的是 call 时压入堆栈的返回地址，而 GMThreadp 模拟的是 call 之前push的参数。进入 GMThreadStartup 后，函数从 ebp + 8 处取得参数1 GMThreadp 。

为什么说返回地址是模拟的？因为 GMThreadStartup 永远不会执行它的 return 语句。

// 此函数在 SwitchContext 的 ret 指令执行时调用，功能是调用线程入口函数
void GMThreadStartup(GMThread_t *GMThreadp)
{GMThreadp->func(GMThreadp->lpParameter);GMThreadp->Flags = GMTHREAD_EXIT;Scheduling();printf("这句永远不会执行，因为修改线程状态为退出，Scheduling 永远不会返回到这里.\n");return;
}

四、Scheduling 线程调度函数

void Scheduling();

这个函数负责遍历线程调度队列，如果遍历到“等待”状态的线程，判断它是否已经完成了“等待”，如果是，那么修改其状态为就绪。通过遍历，找出第一个“就绪”线程，如果遍历完都没有发现新的就绪线程，那么就认为主函数是“就绪”线程。

最后，调用 SwitchContext 函数“切换”到刚才找到的“就绪”线程。

五、SwitchContext 切换线程函数

SwitchContext 负责切换线程，旧线程调用 SwitchContext 时，首先把7个寄存器压到自己的栈顶，然后保存当前栈顶 esp 到 KernelStack，然后从新线程的线程结构体里取出 KernelStack 填到 esp，就完成了线程切换。

接下来就是从新线程的栈顶 pop 还原7个寄存器。pop 了那7个寄存器后，esp 一定是指向下一条指令的地址的，如果新线程尚未被调度过，那么栈顶一定是 GMThreadStartup；如果新线程曾被调度过，那么栈顶一定是新线程上一次调用 SwitchContext 的返回地址，即 Scheduling 函数的末尾。

最后，附上一张线程A切换到线程B的堆栈图，帮助理解。

六、总结

其他的函数就很简单了，限于篇幅，我不打算花笔墨解释其他函数，因为注释已经说明了我没有提到的细节。

最重要的 SwitchContext 函数，要理解它是怎么通过切换堆栈来实现切换线程的，要理解 ret 指令跳转到什么地方；Scheduling 函数也很关键，它用了一种非常简单的遍历算法寻找“就绪”线程。

这个程序模拟了时钟中断切换线程（主函数的循环），和调用API的主动切换（线程主动调用 GMSleep）。

你可以在主函数循环里加一个打印语句：

 for (;;){Sleep(20);Scheduling();// 如果回到主线程，说明没有找到就绪线程，CurrentThreadIndex 一定是 0//printf("时钟中断. %d\n", CurrentThreadIndex);}

你会发现，这和空闲线程的执行非常像，后续的课程里，会添加很多功能，比如模拟空闲线程，此处暂时不表。

七、单文件版本源码

#include <stdio.h>
#include <tchar.h>
#include <string.h>
#include <Windows.h>#pragma warning(disable: 4996)//--------------------------------------------------------------------------------------------
//--------------------------------------------------------------------------------------------#define MAXGMTHREAD 0x100#define GMTHREAD_CREATE      0x01
#define GMTHREAD_READY      0x02
#define GMTHREAD_RUNNING    0x04
#define GMTHREAD_SLEEP      0x08
#define GMTHREAD_EXIT       0x100#define GMTHREADSTACKSIZE 0x80000//--------------------------------------------------------------------------------------------
//--------------------------------------------------------------------------------------------// 线程结构体（仿ETHREAD）
typedef struct {char *name;                         // 线程名，相当于线程TIDint Flags;                            // 线程状态int SleepMillisecondDot;         // 休眠时间void *InitialStack;                  // 线程堆栈起始位置void *StackLimit;                    // 线程堆栈界限void *KernelStack;                 // 线程堆栈当前位置，即ESP0void *lpParameter;                  // 线程函数参数void (*func)(void *lpParameter);   // 线程函数
} GMThread_t;//--------------------------------------------------------------------------------------------
//--------------------------------------------------------------------------------------------// 当前调度线程下标
int CurrentThreadIndex = 0;// 线程调度队列
GMThread_t GMThreadList[MAXGMTHREAD] = { 0 };void *WindowsStackLimit = NULL;//--------------------------------------------------------------------------------------------
//--------------------------------------------------------------------------------------------void SwitchContext(GMThread_t *OldGMThreadp, GMThread_t *NewGMThreadp);
void GMThreadStartup(GMThread_t *GMThreadp);
void IdleGMThread(void *lpParameter);
void PushStack(unsigned int **Stackpp, unsigned int v);
void InitGMThread (GMThread_t *GMThreadp, char *name, void (*func)(void *lpParameter), void *lpParameter);
int RegisterGMThread(char *name, void (*func)(void *lpParameter), void *lpParameter);
void Scheduling();
void GMSleep(int Milliseconds);
void Thread1(void *lpParameter);
void Thread2(void *lpParameter);
void Thread3(void *lpParameter);
void Thread4(void *lpParameter);//--------------------------------------------------------------------------------------------
//--------------------------------------------------------------------------------------------int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{// 初始化线程环境RegisterGMThread("Thread1", Thread1, NULL);RegisterGMThread("Thread2", Thread2, NULL);RegisterGMThread("Thread3", Thread3, NULL);RegisterGMThread("Thread4", Thread4, NULL);// 仿Windows线程切换，模拟系统时钟中断，是被动切换//Scheduling();for (;;){Sleep(20);Scheduling();// 如果回到主线程，说明没有找到就绪线程，CurrentThreadIndex 一定是 0//printf("时钟中断. %d\n", CurrentThreadIndex);}return 0;
}// 线程切换函数
__declspec(naked) void SwitchContext(GMThread_t *OldGMThreadp, GMThread_t *NewGMThreadp)
{__asm{// 当前线程保存寄存器到自己的栈顶push ebp;mov ebp,esp;push edi;push esi;push ebx;push ecx;push edx;push eax;mov esi,OldGMThreadp; // mov esi, [ebp + 0x08]mov edi,NewGMThreadp; // mov edi, [ebp + 0x0C]mov [esi + GMThread_t.KernelStack], esp; // 保存旧ESPmov esp,[edi + GMThread_t.KernelStack]; // 设置新ESP// 从新线程的栈里恢复寄存器的值pop eax;pop edx;pop ecx;pop ebx;pop esi;pop edi;pop ebp;// 返回到新线程之前调用 SwitchContext 的地方；如果是第一次调度，则跳转到 GMThreadStartupret;}
}// 此函数在 SwitchContext 的 ret 指令执行时调用，功能是调用线程入口函数
void GMThreadStartup(GMThread_t *GMThreadp)
{GMThreadp->func(GMThreadp->lpParameter);GMThreadp->Flags = GMTHREAD_EXIT;Scheduling();printf("这句永远不会执行，因为修改线程状态为退出，Scheduling 永远不会返回到这里.\n");return;
}// 空闲线程，没事做就调用它
void IdleGMThread(void *lpParameter)
{printf("IdleGMThread-------------------\n");Scheduling();return;
}// 模拟压栈
void PushStack(unsigned int **Stackpp, unsigned int v)
{*Stackpp -= 1;**Stackpp = v;return;
}// 初始化线程结构体和线程栈，设置状态为“就绪”
void InitGMThread (GMThread_t *GMThreadp, char *name, void (*func)(void *lpParameter), void *lpParameter)
{unsigned char *StackPages;unsigned int *ESP;// 结构初始化赋值GMThreadp->Flags = GMTHREAD_CREATE;GMThreadp->name = name;GMThreadp->func = func;GMThreadp->lpParameter = lpParameter;// 申请栈空间StackPages = (unsigned char*)VirtualAlloc(NULL,GMTHREADSTACKSIZE, MEM_COMMIT, PAGE_READWRITE);// 清零memset(StackPages,0,GMTHREADSTACKSIZE);// 栈初始化地址GMThreadp->InitialStack = (StackPages + GMTHREADSTACKSIZE);// 栈限制GMThreadp->StackLimit = StackPages;// 栈地址ESP = (unsigned int *)GMThreadp->InitialStack;// 初始化线程栈PushStack(&ESP, (unsigned int)GMThreadp);        // 通过这个指针来找到：线程函数、函数参数PushStack(&ESP, (unsigned int)0);              // 平衡堆栈，此值无意义，详见 SwitchContext 函数注释PushStack(&ESP, (unsigned int)GMThreadStartup);    // 线程入口函数，这个函数负责调用线程函数PushStack(&ESP, (unsigned int)0);              // push ebp，此值无意义，是寄存器初始值PushStack(&ESP, (unsigned int)0);                // push edi，此值无意义，是寄存器初始值PushStack(&ESP, (unsigned int)0);                // push esi，此值无意义，是寄存器初始值PushStack(&ESP, (unsigned int)0);                // push ebx，此值无意义，是寄存器初始值PushStack(&ESP, (unsigned int)0);                // push ecx，此值无意义，是寄存器初始值PushStack(&ESP, (unsigned int)0);                // push edx，此值无意义，是寄存器初始值PushStack(&ESP, (unsigned int)0);                // push eax，此值无意义，是寄存器初始值GMThreadp->KernelStack = ESP;GMThreadp->Flags = GMTHREAD_READY;return;
}// 添加新线程到调度队列，然后初始化线程
int RegisterGMThread(char *name, void (*func)(void *lpParameter), void *lpParameter)
{int i;// 找一个空位置，或者是name已经存在的那个项// 下标0是当前正在运行的线程，所以从1开始遍历for (i = 1; GMThreadList[i].name; i++){if (0 == stricmp(GMThreadList[i].name, name)){break;}}// 初始化线程结构体InitGMThread(&GMThreadList[i], name, func, lpParameter);return (i | 0x55AA0000);
}// 线程调度函数，功能是遍历调度队列，找到“就绪”线程，然后切换线程
void Scheduling()
{int i;int TickCount;GMThread_t *OldGMThreadp;GMThread_t *NewGMThreadp;TickCount = GetTickCount(); // GetTickCount 返回操作系统启动到目前为止经过的毫秒// 正在调度的线程，第一次是 GMThreadList[0]，这个表示主线程OldGMThreadp = &GMThreadList[CurrentThreadIndex];// 遍历线程调度队列，找第一个“就绪”线程// 如果找不到，就回到主函数，模拟时钟中断NewGMThreadp = &GMThreadList[0]; for (i = 1; GMThreadList[i].name; i++){// 如果达到“等待时间”，就修改状态为“就绪”if (GMThreadList[i].Flags & GMTHREAD_SLEEP){if (TickCount > GMThreadList[i].SleepMillisecondDot){GMThreadList[i].Flags = GMTHREAD_READY;}}// 找到“就绪”线程if (GMThreadList[i].Flags & GMTHREAD_READY){NewGMThreadp = &GMThreadList[i];break;}}// 更新当前调度线程下标CurrentThreadIndex = NewGMThreadp - GMThreadList;// 线程切换SwitchContext(OldGMThreadp, NewGMThreadp);return;
}// 正在运行的线程主动调用此函数，将自己设置成“等待”状态，然后让调度函数调度其他线程
void GMSleep(int Milliseconds)
{GMThread_t *GMThreadp;GMThreadp = &GMThreadList[CurrentThreadIndex];if ((GMThreadp->Flags) != 0){GMThreadp->SleepMillisecondDot = GetTickCount() + Milliseconds;GMThreadp->Flags = GMTHREAD_SLEEP;}Scheduling();return;
}void Thread1(void *lpParameter)
{int i;for (i = 0; i < 3; i++){printf("Thread1\n");GMSleep(100); // 主动切换，模拟WIN32 API}return;
}void Thread2(void *lpParameter)
{int i = 0;while (++i){printf(" Thread2(%d)\n", i);GMSleep(200); // 主动切换，模拟WIN32 API}return;
}void Thread3(void *lpParameter)
{int i = 0;while (++i){printf("     Thread3(%d)\n", i);GMSleep(200); // 主动切换，模拟WIN32 API}return;
}void Thread4(void *lpParameter)
{int i = 0;while (++i){printf("         Thread4(%d)\n", i);GMSleep(400); // 主动切换，模拟WIN32 API}return;
}

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