哈工大os学习笔记五（内核级线程实现）

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哈工大os学习笔记五（内核级线程实现）
一、中断入口、中断出口（前后两段）
- 1. 从int中断进入内核（中断入口第一段）
- 2.中断出口（最后一段）
二、其他三段
- 1.schedule()
- 2.switch_to()
- 3.ThreadCreate（创建好TSS）
- 4.小结
小结

某个中断开始（fork）
内核级线程要在代码层面实现
fork()是系统调用，会引起中断，fork()创建进程（所以会有资源分配和线程的创建），所以fork()是一个非常好的切入点。能够非常清晰地看清
1.线程是怎么切换的
2.切换的五段论代码具体怎么实现的
3.核心级线程切换要具体做哪些事

一、中断入口、中断出口（前后两段）

首先还是要从上次我画的那个图说起，从那个图中的中断开始。

1. 从int中断进入内核（中断入口第一段）

int 0x80执行的时候没进入内核，执行完毕后，才进入内核。
由于int 0x80没有执行完毕，所以当前的PC指向的是当前的（int 0x80的下一条）

_NR_fork 是系统调用号，存入%eax寄存器，后面会算出调用哪个函数

压入EFLAGS标志寄存器的状态，保存寄存器的状态，在保存寄存器里的内容
int 0x80中断，之后就是OS为我们打开的系统调用system _call，system_call还要压栈，因为我们刚进入内核，CPU这些寄存器仍然是用户态的，要保存寄存器的内容，将一些内容压栈，保护用户态执行的现场。

调用system_call 这个表，具体处理sys_fork，实现sys_fork真正的效果，执行sys_fork 的时候会引起切换。I/O阻塞，发生调度

执行完sys_fork 后，不停，又往下执行。
call 下面的代码就是判断是否引发中断的代码

_systemZ_call:push %d...%fspush %edx...call sys_fork //push1 %eax
————————————————————————————————
mov1 _current,%eax  //将当前的线程(当前线程一直是sys_fork)置给 eax
cmp1 $0,state(%eax) // state(%eax)是一段汇编代码，实际上是state加上eax//current是PCB，就是看PCB中的state是不是0//0是运行，非0表示阻塞//如果不是0就要调度，也就是判断PCB队列的状态
jne reschedule      //跳转调度，跳到schedule完成内核 栈的切换//schedule五段论中间三段
——————————————————————————
cmp1 $0, counter(%eax) //第五段判断current的counter是不是等于0
je reschedule          //等于0也进行调度，时间片是否为0//时间片为0，时间片用完了为0，也要进行切换
ret_from_sys_call:     //跳出去后，还要回来，这里是系统调用返回//接下来就要执行中断返回的代码——————————————————————
reschedule:               //汇编的编号，实际上就是地址//ret_from_sys_call的地址push1 $ret_from_sys_call //将地址压栈jmp _schedule           /*调用_schedule,这个是C函数，他执行的时候必然会遇到右大括号}，执行}的时候就将弹栈，返回的就上刚才压入的地址，就会去ret_from_sys_call:执行*/

2.中断出口（最后一段）

会一个一个的弹栈，最后将iret一起pop弹出。
切换出去后，他的下一个核心线程，也就是下一个进程的执行起来的用户栈，完成切换了。
这里保存的都是用户态的内容

二、其他三段

1.schedule()

schedule
next就是找下一个线程，至于怎么找，后面会详细的讲。
next i进行调度，switch_to(next),next是下一个进程的TCB，
如果是线程那就是下一个核心级线程的TCB，switch_to 进行TCB切换就很简单，只要修改一下就ok

核心是根据TCB完成核心栈的切换

2.switch_to()

TCB切换图

switch_to 具体代码实现：
下面李老师讲的这个代码（Linux0.11）是TSS实现切换的，而真正的用内核栈切完成切换的是实验四。TSS的介绍实验四有，是基于TSS来实现Kernel stack

TSS：task struct segment 任务结构段，英特尔给做出来了只用一句常跳转指令（ljmp %0\n\t）就可以做到,但是效率特别低，所以进行了改造

TR是CPU的寄存器，相当于GDT表
相当于一个快照，保存恢复。
next就是要进行改变的TR，新的TR找到新TSS描述符，在指向新的段，新的段保存了现场。
这种方式慢，由于快照要扣好多东西，而且由于是一条常指令，不能进行指令流水，是硬件设计效果不好，不能充分利用向现代CPU硬件的加速方法。而用栈，不用照好多东西只要压栈弹栈，而且可以进行流水。

3.ThreadCreate（创建好TSS）

创建线程，就是要创建出能够切换的样子，能够切换了，线程也就创建好了。所以下面的核心就是把TSS做好。当然TSS要做好首先要有PCB，TCB，内核栈，然后就可以做TSS。

下面是代码实现：

继续执行fork()
_copy_process 拷贝父进程

下面是一段汇编

上面什么参数也没写，是因为都在内核栈里面。
因为父进程执行fork的时候，压了一堆东西，这些东西主要就是父进程在用户态执行时候的样子。这些样子(参数)需要传递给_copy_process，C语言执行的时候他的参数都从栈中弹出，当然这里已经进入内核执行了所以这里是内核栈。所以内核栈里面的内容全都作为参数，有了这些参数就能知道父进程长什么样子了。在_copy_process 基本能做出和父进程一样的叉子（进程）父进程和子进程只有一个地方的小差别。
这些参数包括esp等。在C函数中，越在后面的参数就越早压入栈中，所以位置越靠前的参数，越靠近栈顶。参数最长的函数。
esp>ss:sp esp j就是标记栈的
eip>ret=??1 int 0x80 要执行的下一句代码

要知道这些参数和栈的序列是怎么对应的

看下图：内核态代码get_free_page();获得一页内存，不能用malloc,因为malloc 是用户态的代码，在系统初始化的时候涉及到mem_map,mem_map将内存打成4K,4K,4K的一段一段，那个就叫一页一页，从那里找空闲页
就是mem_map等于0的那一页，找到mem_map等于0的那一页，把地址返回给p，并进行强制转换，这一页内存就用来做PCB。
PCB就有了

下面四行代码就是设置TSS，esp0就是内核栈，esp就是用户栈，这都是硬性规定好的。PAGE_SIZE（4k）p申请好的地址。
0x10 是内核数据段，这里也是用的内核堆栈段是一个段。
内核段有了，段偏移4k+p,下面是PCB，上面是内核栈。（PCB内核栈都做好了）

设置用户栈（copy_process那个贼多参数那个）
父进程传递下来的东西，父进程正在执行int0x80那个时候用到的用户栈，所以用了和父进程一样的栈。用户级可以用一样的，但是在内核级是两个不同的东西

在把TSS初始化就OK了，eip int 指令完成后的下一句话

4.小结

fork()子进程已经做好了

父进程阻塞，然后进入schedule调度
schedule就要执行switch_to
switch_to就切换到子进程
子进程就会把刚才初始化好的TSS，直接扣到CPU。

5. 其中包括eip等于int 0x80，eax等于0
父进程进去int创建一个子进程，返回的时候执行int的下一条，所以父进程也执行这条指令，父进程执行的时候eax≠0，所以父进程执行下面的

exec怎么进去的，从exec系统调用开始，进去后会执行实sys_execve这个函数，
老师提出的问题：在进入子进程之前，父进程子进程执行同样的代码。
好了现在调用exec，进入到内核态，一顿折腾后，再返回的时候执行的就不再是和父进程一样的代码，而是ls。
那么以上这些东西是怎么做的？？？
怎么做的：

中断返回的时候要做iret,iret 找到ss sp ret 一些的东西，将这些栈存储的东西赋给真正的寄存器，然后让PC执行。

接下来执行 call_do_execve这个函数，压栈，压栈是因为exec也是要有参数的，实际上压进去的实际是参数，参数是esp，eip。
如果能把ls的地址找到并且赋给ret，将来在执行iret的时候弹栈。EIP也就是一个偏移

esp，eip加起来赋给eax，eax进行压栈，EIP=0x1c 十进制是28，正好跳到28，也就是ret=???(eip)最后会指向PC。

eip[0]=ex.a_entry入口地址置给eip，就okl了。
而eip[3] 指向SS：SP
ls有自己的执行代码了有自己的栈了。
ex.a_entry哪里来的？可以读文件 ls是一个可执行命令 ls hello ,hello 是一个可执行程序，这个程序在磁盘上有，从磁盘上把这个程序读进来，就有一个文件头，这个文件头就有a_entry,a_entry是编译的是时候作为可执行文件写进去的。实际上是连接做为可执行文件程序写入的，写进去就放给ex.a_entry。在读文件读出来置给内核栈中，置好内核栈后，在中断返回iret时候就弹回去了，就执行hello的第一句话。

小结

做一个操作系统要知道好多内容：读写文件，链接，文件的格式，内核栈结构，内核栈位置，文件头赋给内核栈的相应位置，iret等等。

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