所有的实验报告将会在 Github 同步更新,更多内容请移步至Github:https://github.com/AngelKitty/review_the_national_post-graduate_entrance_examination/blob/master/books_and_notes/professional_courses/operating_system/sources/ucore_os_lab/docs/lab_report/

练习0:填写已有实验

lab4 会依赖 lab1、lab2 和 lab3,我们需要把做的 lab1、lab2 和 lab3 的代码填到 lab4 中缺失的位置上面。练习 0 就是一个工具的利用。这里我使用的是 Linux 下的系统已预装好的 Meld Diff Viewer 工具。和 lab3 操作流程一样,我们只需要将已经完成的 lab1、lab2 和 lab3 与待完成的 lab4 (由于 lab4 是基于 lab1、lab2、lab3 基础上完成的,所以这里只需要导入 lab3 )分别导入进来,然后点击 compare 就行了。

然后软件就会自动分析两份代码的不同,然后就一个个比较比较复制过去就行了,在软件里面是可以支持打开对比复制了,点击 Copy Right 即可。当然 bin 目录和 obj 目录下都是 make 生成的,就不用复制了,其他需要修改的地方主要有以下五个文件,通过对比复制完成即可:

default_pmm.c
pmm.c
swap_fifo.c
vmm.c
trap.c

练习1:分配并初始化一个进程控制块(需要编码)

内核线程是一种特殊的进程,内核线程与用户进程的区别有两个:

  • 内核线程只运行在内核态,而用户进程会在在用户态和内核态交替运行;
  • 所有内核线程直接使用共同 ucore 内核内存空间,不需为每个内核线程维护单独的内存空间,而用户进程需要维护各自的用户内存空间。

这里主要是从 kern_init 函数的物理内存管理初始化开始的,按照函数的次序做了一个简单的总结:

  • 1、pmm_init()

    • (1) 初始化物理内存管理器。
    • (2) 初始化空闲页,主要是初始化物理页的 Page 数据结构,以及建立页目录表和页表。
    • (3) 初始化 boot_cr3 使之指向了 ucore 内核虚拟空间的页目录表首地址,即一级页表的起始物理地址。
    • (4) 初始化第一个页表 boot_pgdir。
    • (5) 初始化 GDT,即全局描述符表。
  • 2、pic_init()
    • 初始化 8259A 中断控制器
  • 3、idt_init()
    • 初始化 IDT,即中断描述符表
  • 4、vmm_init()
    • 主要就是实验了一个 do_pgfault() 函数达到页错误异常处理功能,以及虚拟内存相关的 mm,vma 结构数据的创建/销毁/查找/插入等函数
  • 5、proc_init()
    • 这个函数启动了创建内核线程的步骤,完成了 idleproc 内核线程和 initproc 内核线程的创建或复制工作,这是本次实验分析的重点,后面将详细分析。
  • 6、ide_init()
    • 完成对用于页换入换出的硬盘(简称 swap 硬盘)的初始化工作
  • 7、swap_init()
    • swap_init() 函数首先建立完成页面替换过程的主要功能模块,即 swap_manager,其中包含了页面置换算法的实现

操作系统是以进程为中心设计的,所以其首要任务是为进程建立档案,进程档案用于表示、标识或描述进程,即进程控制块。这里需要完成的就是一个进程控制块的初始化。

而这里我们分配的是一个内核线程的 PCB,它通常只是内核中的一小段代码或者函数,没有用户空间。而由于在操作系统启动后,已经对整个核心内存空间进行了管理,通过设置页表建立了核心虚拟空间(即 boot_cr3 指向的二级页表描述的空间)。所以内核中的所有线程都不需要再建立各自的页表,只需共享这个核心虚拟空间就可以访问整个物理内存了。

首先在 kern/process/proc.h 中定义了 PCB,即进程控制块的结构体 proc_struct,如下:

struct proc_struct {             //进程控制块
enum proc_state state; //进程状态
int pid; //进程ID
int runs; //运行时间
uintptr_t kstack; //内核栈位置
volatile bool need_resched; //是否需要调度
struct proc_struct *parent; //父进程
struct mm_struct *mm; //进程的虚拟内存
struct context context; //进程上下文
struct trapframe *tf; //当前中断帧的指针
uintptr_t cr3; //当前页表地址
uint32_t flags; //进程
char name[PROC_NAME_LEN + 1];//进程名字
list_entry_t list_link; //进程链表
list_entry_t hash_link; //进程哈希表
};

这里简单介绍下各个参数:

  • state:进程所处的状态。

    • PROC_UNINIT // 未初始状态
    • PROC_SLEEPING // 睡眠(阻塞)状态
    • PROC_RUNNABLE // 运行与就绪态
    • PROC_ZOMBIE // 僵死状态
  • pid:进程 id 号。
  • kstack:记录了分配给该进程/线程的内核桟的位置。
  • need_resched:是否需要调度
  • parent:用户进程的父进程。
  • mm:即实验三中的描述进程虚拟内存的结构体
  • context:进程的上下文,用于进程切换。
  • tf:中断帧的指针,总是指向内核栈的某个位置。中断帧记录了进程在被中断前的状态。
  • cr3:记录了当前使用的页表的地址

而这里要求我们完成一个 alloc_proc 函数来负责分配一个新的 struct proc_struct 结构,根据提示我们需要初始化一些变量,具体的代码如下:

* 实现思路:
该函数的具体含义为创建一个新的进程控制块,并且对控制块中的所有成员变量进行初始化,根据实验指导书中的要求,除了指定的若干个成员变量之外,其他成员变量均初始化为0,取特殊值的成员变量如下所示:
proc->state = PROC_UNINIT;
proc->pid = -1;
proc->cr3 = boot_cr3; // 由于是内核线程,共用一个虚拟内存空间
对于其他成员变量中占用内存空间较大的,可以考虑使用 memset 函数进行初始化。
--------------------------------------------------------------------------------------------
/*code*/
static struct proc_struct *alloc_proc(void) {
struct proc_struct *proc = kmalloc(sizeof(struct proc_struct));
if (proc != NULL) {
proc->state = PROC_UNINIT; //设置进程为未初始化状态
proc->pid = -1; //未初始化的的进程id为-1
proc->runs = 0; //初始化时间片
proc->kstack = 0; //内存栈的地址
proc->need_resched = 0; //是否需要调度设为不需要
proc->parent = NULL; //父节点设为空
proc->mm = NULL; //虚拟内存设为空
memset(&(proc->context), 0, sizeof(struct context));//上下文的初始化
proc->tf = NULL; //中断帧指针置为空
proc->cr3 = boot_cr3; //页目录设为内核页目录表的基址
proc->flags = 0; //标志位
memset(proc->name, 0, PROC_NAME_LEN);//进程名
}
return proc;
}

请说明 proc_struct 中 struct context context 和 struct trapframe *tf 成员变量含义和在本实验中的作用是啥?(提示通过看代码和编程调试可以判断出来)

首先不妨查看 struct context 结构体的定义,可以发现在结构体中存储这除了 eax 之外的所有通用寄存器以及 eip 的数值,这就提示我们这个线程控制块中的 context 很有可能是保存的线程运行的上下文信息;

接下来使用 find grep 命令查找在 ucore 中对 context 成员变量进行了设置的代码,总共可以发现两处,分别为 Swtich.S 和 proc.c 中的 copy_thread 函数中,在其他部分均没有发现对 context 的引用和定义(除了初始化);那么根据 Swtich 中代码的语义,可以确定 context 变量的意义就在于内核线程之间进行切换的时候,将原先的线程运行的上下文保存下来这一作用。

那么为什么没有对 eax 进行保存呢?注意到在进行切换的时候调用了 switch_to 这一个函数,也就是说这个函数的里面才是线程之间切换的切换点,而在这个函数里面,由于 eax 是一个 caller-save 寄存器,并且在函数里 eax 的数值一直都可以在栈上找到对应,因此没有比较对其进行保存。

在 context 中保存着各种寄存器的内容,主要保存了前一个进程的现场(各个寄存器的状态),是进程切换的上下文内容,这是为了保存进程上下文,用于进程切换,为进程调度做准备。

在 ucore 中,所有的进程在内核中也是相对独立的。使用 context 保存寄存器的目的就在于在内核态中能够进行上下文之间的切换。实际利用 context 进行上下文切换的函数是在 kern/process/switch.S 中定义 switch_to 函数。
--------------------------------------------------------------------------------------------
/*code*/
struct context {
uint32_t eip;
uint32_t esp;
uint32_t ebx;
uint32_t ecx;
uint32_t edx;
uint32_t esi;
uint32_t edi;
uint32_t ebp;
};
--------------------------------------------------------------------------------------------
接下来同样在代码中寻找对 tf 变量进行了定义的地方,最后可以发现在 copy_thread 函数中对 tf 进行了设置,但是值得注意的是,在这个函数中,同时对 context 变量的 esp 和 eip 进行了设置。前者设置为 tf 变量的地址,后者设置为 forkret 这个函数的指针。接下来观察 forkret 函数,发现这个函数最终调用了 __trapret 进行中断返回,这样的话,tf 变量的作用就变得清晰起来了。 tf 变量的作用在于在构造出了新的线程的时候,如果要将控制权交给这个线程,是使用中断返回的方式进行的(跟lab1中切换特权级类似的技巧),因此需要构造出一个伪造的中断返回现场,也就是 trapframe,使得可以正确地将控制权转交给新的线程;具体切换到新的线程的做法为:
* 调用switch_to函数。
* 然后在该函数中进行函数返回,直接跳转到 forkret 函数。
* 最终进行中断返回函数 __trapret,之后便可以根据 tf 中构造的中断返回地址,切换到新的线程了。 trapframe 保存着用于特权级转换的栈 esp 寄存器,当进程发生特权级转换的时候,中断帧记录了进入中断时任务的上下文。当退出中断时恢复环境。 tf 是一个中断帧的指针,总是指向内核栈的某个位置:
* 当进程从用户空间跳到内核空间时,中断帧记录了进程在被中断前的状态。
* 当内核需要跳回用户空间时,需要调整中断帧以恢复让进程继续执行的各寄存器值。
* 除此之外,ucore 内核允许嵌套中断,因此为了保证嵌套中断发生时 tf 总是能够指向当前的 trapframe,ucore 在内核栈上维护了 tf 的链。
--------------------------------------------------------------------------------------------
/*code*/
struct trapframe {
struct pushregs {
uint32_t reg_edi;
uint32_t reg_esi;
uint32_t reg_ebp;
uint32_t reg_oesp; /* Useless */
uint32_t reg_ebx;
uint32_t reg_edx;
uint32_t reg_ecx;
uint32_t reg_eax;
};
uint16_t tf_gs;
uint16_t tf_padding0;
uint16_t tf_fs;
uint16_t tf_padding1;
uint16_t tf_es;
uint16_t tf_padding2;
uint16_t tf_ds;
uint16_t tf_padding3;
uint32_t tf_trapno;
/* below here defined by x86 hardware */
uint32_t tf_err;
uintptr_t tf_eip;
uint16_t tf_cs;
uint16_t tf_padding4;
uint32_t tf_eflags;
/* below here only when crossing rings, such as from user to kernel */
uintptr_t tf_esp;
uint16_t tf_ss;
uint16_t tf_padding5;
} __attribute__((packed));

根据这张图可以看出,内核态和用户态的转换首先是留下 SS 和 ESP 的位置,然后调用中断,改中断栈里面的内容, 然后退出中断的时候跳到内核态中,最后将 ebp 赋给 esp 修复 esp 的位置。

练习2:为新创建的内核线程分配资源(需要编码)

alloc_proc 实质只是找到了一小块内存用以记录进程的必要信息,并没有实际分配这些资源,而练习 2 完成的 do_fork 才是真正完成了资源分配的工作,当然,do_fork 也只是创建当前内核线程的一个副本,它们的执行上下文、代码、数据都一样,但是存储位置不同。

根据提示及阅读源码可知,它完成的工作主要如下:

  • 1、分配并初始化进程控制块( alloc_proc 函数);
  • 2、分配并初始化内核栈,为内核进程(线程)建立栈空间( setup_stack 函数);
  • 3、根据 clone_flag 标志复制或共享进程内存管理结构( copy_mm 函数);
  • 4、设置进程在内核(将来也包括用户态)正常运行和调度所需的中断帧和执行上下文

    ( copy_thread 函数);
  • 5、为进程分配一个 PID( get_pid() 函数);
  • 6、把设置好的进程控制块放入 hash_list 和 proc_list 两个全局进程链表中;
  • 7、自此,进程已经准备好执行了,把进程状态设置为“就绪”态;
  • 8、设置返回码为子进程的 PID 号。

实现过程如下:

* 实现思路:
该函数的语义为为内核线程创建新的线程控制块,并且对控制块中的每个成员变量进行正确的设置,使得之后可以正确切换到对应的线程中执行。
proc = alloc_proc(); // 为要创建的新的线程分配线程控制块的空间
if (proc == NULL) goto fork_out; // 判断是否分配到内存空间
assert(setup_kstack(proc) == 0); // 为新的线程设置栈,在本实验中,每个线程的栈的大小初始均为 2 个 Page,即 8KB
assert(copy_mm(clone_flags, proc) == 0); // 对虚拟内存空间进行拷贝,由于在本实验中,内核线程之间共享一个虚拟内存空间,因此实际上该函数不需要进行任何操作
copy_thread(proc, stack, tf); // 在新创建的内核线程的栈上面设置伪造好的中端帧,便于后文中利用 iret 命令将控制权转移给新的线程
proc->pid = get_pid(); // 为新的线程创建 pid
hash_proc(proc); // 将线程放入使用 hash 组织的链表中,便于加速以后对某个指定的线程的查找
nr_process ++; // 将全局线程的数目加 1
list_add(&proc_list, &proc->list_link); // 将线程加入到所有线程的链表中,便于进行调度
wakeup_proc(proc); // 唤醒该线程,即将该线程的状态设置为可以运行
ret = proc->pid; // 返回新线程的pid
--------------------------------------------------------------------------------------------
/*code*/
/* do_fork - parent process for a new child process
* @clone_flags: used to guide how to clone the child process
* @stack: the parent's user stack pointer. if stack==0, It means to fork a kernel thread.
* @tf: the trapframe info, which will be copied to child process's proc->tf
*/
int do_fork(uint32_t clone_flags, uintptr_t stack, struct trapframe *tf) {
int ret = -E_NO_FREE_PROC; //尝试为进程分配内存
struct proc_struct *proc; //定义新进程
if (nr_process >= MAX_PROCESS) { //分配进程数大于 4096,返回
goto fork_out; //返回
}
ret = -E_NO_MEM; //因内存不足而分配失败
//LAB4:EXERCISE2 YOUR CODE
/*
* Some Useful MACROs, Functions and DEFINEs, you can use them in below implementation.
* MACROs or Functions:
* alloc_proc: create a proc struct and init fields (lab4:exercise1)
* setup_kstack: alloc pages with size KSTACKPAGE as process kernel stack
* copy_mm: process "proc" duplicate OR share process "current"'s mm according clone_flags
* if clone_flags & CLONE_VM, then "share" ; else "duplicate"
* copy_thread: setup the trapframe on the process's kernel stack top and
* setup the kernel entry point and stack of process
* hash_proc: add proc into proc hash_list
* get_pid: alloc a unique pid for process
* wakeup_proc: set proc->state = PROC_RUNNABLE
* VARIABLES:
* proc_list: the process set's list
* nr_process: the number of process set
*/ // 1. call alloc_proc to allocate a proc_struct
// 2. call setup_kstack to allocate a kernel stack for child process
// 3. call copy_mm to dup OR share mm according clone_flag
// 4. call copy_thread to setup tf & context in proc_struct
// 5. insert proc_struct into hash_list && proc_list
// 6. call wakeup_proc to make the new child process RUNNABLE
// 7. set ret vaule using child proc's pid
if ((proc = alloc_proc()) == NULL) { //调用 alloc_proc() 函数申请内存块,如果失败,直接返回处理
goto fork_out;//返回
} proc->parent = current; //将子进程的父节点设置为当前进程 if (setup_kstack(proc) != 0) { //调用 setup_stack() 函数为进程分配一个内核栈
goto bad_fork_cleanup_proc; //返回
}
if (copy_mm(clone_flags, proc) != 0) { //调用 copy_mm() 函数复制父进程的内存信息到子进程
goto bad_fork_cleanup_kstack; //返回
}
copy_thread(proc, stack, tf); //调用 copy_thread() 函数复制父进程的中断帧和上下文信息
//将新进程添加到进程的 hash 列表中
bool intr_flag;
local_intr_save(intr_flag); //屏蔽中断,intr_flag 置为 1
{
proc->pid = get_pid(); //获取当前进程 PID
hash_proc(proc); //建立 hash 映射
list_add(&proc_list, &(proc->list_link)); //将进程加入到进程的链表中
nr_process ++; //进程数加 1
}
local_intr_restore(intr_flag); //恢复中断 wakeup_proc(proc); //一切就绪,唤醒子进程 ret = proc->pid; //返回子进程的 pid
fork_out: //已分配进程数大于 4096
return ret; bad_fork_cleanup_kstack: //分配内核栈失败
put_kstack(proc);
bad_fork_cleanup_proc:
kfree(proc);
goto fork_out;
}

请说明 ucore 是否做到给每个新 fork 的线程一个唯一的 id?请说明你的分析和理由。

可以。保证每个 fork 的线程给的 ID 唯一,调用的 get_pid() 函数,每次都从进程控制块链表中找到合适的 ID。线程的 PID 由 get_pid 函数产生,该函数中包含了两个静态变量 last_pid 以及 next_safe。last_pid 变量保存上一次分配的 PID,而 next_safe 和 last_pid 一起表示一段可以使用的 PID 取值范围 ,同时要求 PID 的取值范围为 ,last_pid 和 next_safe 被初始化为 MAX_PID。每次调用 get_pid 时,除了确定一个可以分配的 PID 外,还需要确定 next_safe 来实现均摊以此优化时间复杂度,PID 的确定过程中会检查所有进程的 PID,来确保 PID 是唯一的。

接下来不妨分析该函数的内容:

* 在该函数中使用到了两个静态的局部变量 next_safe 和 last_pid,根据命名推测,在每次进入 get_pid 函数的时候,这两个变量的数值之间的取值均是合法的 pid(也就是说没有被使用过),这样的话,如果有严格的 next_safe > last_pid + 1,那么久可以直接取 last_pid + 1 作为新的 pid(需要 last_pid 没有超出 MAX_PID 从而变成 1);

* 如果在进入函数的时候,这两个变量之后没有合法的取值,也就是说 next_safe > last_pid + 1 不成立,那么进入循环,在循环之中首先通过 if (proc->pid == last_pid) 这一分支确保了不存在任何进程的 pid 与 last_pid 重合,然后再通过 if (proc->pid > last_pid && next_safe > proc->pid) 这一判断语句保证了不存在任何已经存在的 pid 满足:last_pid < pid < next_safe,这样就确保了最后能够找到这么一个满足条件的区间,获得合法的 pid;

* 之所以在该函数中使用了如此曲折的方法,维护一个合法的 pid 的区间,是为了优化时间效率,如果简单的暴力的话,每次需要枚举所有的 pid,并且遍历所有的线程,这就使得时间代价过大,并且不同的调用 get_pid 函数的时候不能利用到先前调用这个函数的中间结果;
--------------------------------------------------------------------------------------------
/*code*/
// get_pid - alloc a unique pid for process
static int get_pid(void) {
static_assert(MAX_PID > MAX_PROCESS);
struct proc_struct *proc;
list_entry_t *list = &proc_list, *le;
static int next_safe = MAX_PID, last_pid = MAX_PID;
if (++ last_pid >= MAX_PID) {
last_pid = 1;
goto inside;
}
if (last_pid >= next_safe) {
inside:
next_safe = MAX_PID;
repeat:
le = list;
while ((le = list_next(le)) != list) {
proc = le2proc(le, list_link);
if (proc->pid == last_pid) {
if (++ last_pid >= next_safe) {
if (last_pid >= MAX_PID) {
last_pid = 1;
}
next_safe = MAX_PID;
goto repeat;
}
}
else if (proc->pid > last_pid && next_safe > proc->pid) {
next_safe = proc->pid;
}
}
}
return last_pid;
}

练习3:阅读代码,理解 proc_run 函数和它调用的函数如何完成进程切换的。(无编码工作)

这里我从 proc_init() 函数开始说起的。由于之前的 proc_init() 函数已经完成了 idleproc 内核线程和 initproc 内核线程的初始化。所以在 kern_init() 最后,它通过 cpu_idle() 唤醒了 0 号 idle 进程,在分析 proc_run 函数之前,我们先分析调度函数 schedule() 。

schedule() 代码如下:

/*
宏定义:
#define le2proc(le, member) \
to_struct((le), struct proc_struct, member)
*/
void schedule(void) {
bool intr_flag; //定义中断变量
list_entry_t *le, *last; //当前list,下一list
struct proc_struct *next = NULL; //下一进程
local_intr_save(intr_flag); //中断禁止函数
{
current->need_resched = 0; //设置当前进程不需要调度
//last是否是idle进程(第一个创建的进程),如果是,则从表头开始搜索
//否则获取下一链表
last = (current == idleproc) ? &proc_list : &(current->list_link);
le = last;
do { //一直循环,直到找到可以调度的进程
if ((le = list_next(le)) != &proc_list) {
next = le2proc(le, list_link);//获取下一进程
if (next->state == PROC_RUNNABLE) {
break; //找到一个可以调度的进程,break
}
}
} while (le != last); //循环查找整个链表
if (next == NULL || next->state != PROC_RUNNABLE) {
next = idleproc; //未找到可以调度的进程
}
next->runs ++; //运行次数加一
if (next != current) {
proc_run(next); //运行新进程,调用proc_run函数
}
}
local_intr_restore(intr_flag); //允许中断
}

可以看到 ucore 实现的是 FIFO 调度算法:

  • 1、调度开始时,先屏蔽中断,设置当前内核线程 current->need_resched 为 0。
  • 2、在进程链表中,查找第一个可以被调度的程序,即在 proc_list 队列中查找下一个处于就绪态的线程或进程 next。
  • 3、找到这样的进程后,就调用 proc_run 函数,保存当前进程 current 的执行现场(进程上下文),恢复新进程的执行现场,运行新进程,允许中断,完成进程切换。

即 schedule 函数通过查找 proc_list 进程队列,在这里只能找到一个处于就绪态的 initproc 内核线程。于是通过 proc_run 和进一步的 switch_to 函数完成两个执行现场的切换。

再分析 switch_to 函数

* 实现思路:
switch_to 函数主要完成的是进程的上下文切换,先保存当前寄存器的值,然后再将下一进程的上下文信息保存到对于寄存器中。
1. 首先,保存前一个进程的执行现场,即 movl 4(%esp), %eax 和 popl 0(%eax) 两行代码。
2. 然后接下来的七条指令如下:
movl %esp, 4(%eax)
movl %ebx, 8(%eax)
movl %ecx, 12(%eax)
movl %edx, 16(%eax)
movl %esi, 20(%eax)
movl %edi, 24(%eax)
movl %ebp, 28(%eax)
这些指令完成了保存前一个进程的其他 7 个寄存器到 context 中的相应域中。至此前一个进程的执行现场保存完毕。
3. 再往后是恢复向一个进程的执行现场,这其实就是上述保存过程的逆执行过程,即从 context 的高地址的域 ebp 开始,逐一把相关域的值赋值给对应的寄存器。
4. 最后的 pushl 0(%eax) 其实是把 context 中保存的下一个进程要执行的指令地址 context.eip 放到了堆栈顶,这样接下来执行最后一条指令 “ret” 时,会把栈顶的内容赋值给 EIP 寄存器,这样就切换到下一个进程执行了,即当前进程已经是下一个进程了,从而完成了进程的切换。
--------------------------------------------------------------------------------------------
/*code*/
switch_to: # switch_to(from, to)
# save from's registers
movl 4(%esp), %eax #保存from的首地址
popl 0(%eax) #将返回值保存到context的eip
movl %esp, 4(%eax) #保存esp的值到context的esp
movl %ebx, 8(%eax) #保存ebx的值到context的ebx
movl %ecx, 12(%eax) #保存ecx的值到context的ecx
movl %edx, 16(%eax) #保存edx的值到context的edx
movl %esi, 20(%eax) #保存esi的值到context的esi
movl %edi, 24(%eax) #保存edi的值到context的edi
movl %ebp, 28(%eax) #保存ebp的值到context的ebp # restore to's registers
movl 4(%esp), %eax #保存to的首地址到eax
movl 28(%eax), %ebp #保存context的ebp到ebp寄存器
movl 24(%eax), %edi #保存context的ebp到ebp寄存器
movl 20(%eax), %esi #保存context的esi到esi寄存器
movl 16(%eax), %edx #保存context的edx到edx寄存器
movl 12(%eax), %ecx #保存context的ecx到ecx寄存器
movl 8(%eax), %ebx #保存context的ebx到ebx寄存器
movl 4(%eax), %esp #保存context的esp到esp寄存器
pushl 0(%eax) #将context的eip压入栈中
ret

最后分析一下 proc_run 函数

4、由 switch_to函数完成具体的两个线程的执行现场切换,即切换各个寄存器,当 switch_to 函数执行完“ret”指令后,就切换到 initproc 执行了。

proc_run 的执行过程为:

  • 保存 IF 位并且禁止中断;
  • 将 current 指针指向将要执行的进程;
  • 更新 TSS 中的栈顶指针;
  • 加载新的页表;
  • 调用 switch_to 进行上下文切换;
  • 当执行 proc_run 的进程恢复执行之后,需要恢复 IF 位。

以下是对 proc_run 函数的具体分析过程:

* 实现思路:
1. 让 current 指向 next 内核线程 initproc;
2. 设置任务状态段 ts 中特权态 0 下的栈顶指针 esp0 为 next 内核线程 initproc 的内核栈的栈顶,即 next->kstack + KSTACKSIZE ;
3. 设置 CR3 寄存器的值为 next 内核线程 initproc 的页目录表起始地址 next->cr3,这实际上是完成进程间的页表切换;
4. 由 switch_to 函数完成具体的两个线程的执行现场切换,即切换各个寄存器,当 switch_to 函数执行完 “ret” 指令后,就切换到 initproc 执行了。 * 当前进程/线程 切换到 proc 这个进程/线程
* 注意到在本实验框架中,唯一调用到这个函数是在线程调度器的 schedule 函数中,也就是可以推测 proc_run 的语义就是将当前的 CPU 的控制权交给指定的线程;
* 可以看到 proc_run 中首先进行了 TSS 以及 cr3 寄存器的设置,然后调用到了 swtich_to 函数来切换线程,根据上文中对 switch_to 函数的分析可以知道,在调用该函数之后,首先会恢复要运行的线程的上下文,然后由于恢复的上下文中已经将返回地址( copy_thread 函数中完成)修改成了 forkret 函数的地址(如果这个线程是第一运行的话,否则就是切换到这个线程被切换出来的地址),也就是会跳转到这个函数,最后进一步跳转到了 __trapsret 函数,调用 iret ,最终将控制权切换到新的线程;
--------------------------------------------------------------------------------------------
/*code*/
void proc_run(struct proc_struct *proc) {
if (proc != current) { // 判断需要运行的线程是否已经运行着了
bool intr_flag;
struct proc_struct *prev = current, *next = proc;
local_intr_save(intr_flag); // 关闭中断
{
current = proc; // 将当前进程换为 要切换到的进程
// 设置任务状态段 tss 中的特权级 0 下的 esp0 指针为 next 内核线程 的内核栈的栈顶
load_esp0(next->kstack + KSTACKSIZE); // 设置 TSS
lcr3(next->cr3); // 重新加载 cr3 寄存器(页目录表基址) 进行进程间的页表切换,修改当前的 cr3 寄存器成需要运行线程(进程)的页目录表
switch_to(&(prev->context), &(next->context)); // 调用 switch_to 进行上下文的保存与切换,切换到新的线程
}
local_intr_restore(intr_flag);
}
}

在本实验的执行过程中,创建且运行了几个内核线程?

总共创建了两个内核线程,分别为:

  • idle_proc,为第 0 个内核线程,在完成新的内核线程的创建以及各种初始化工作之后,进入死循环,用于调度其他进程或线程;
  • init_proc,被创建用于打印 "Hello World" 的线程。本次实验的内核线程,只用来打印字符串。

语句 local_intr_save(intr_flag);....local_intr_restore(intr_flag); 在这里有何作用?请说明理由。

在进行进程切换的时候,需要避免出现中断干扰这个过程,所以需要在上下文切换期间清除 IF 位屏蔽中断,并且在进程恢复执行后恢复 IF 位。

  • 该语句的左右是关闭中断,使得在这个语句块内的内容不会被中断打断,是一个原子操作;
  • 这就使得某些关键的代码不会被打断,从而不会一起不必要的错误;
  • 比如说在 proc_run 函数中,将 current 指向了要切换到的线程,但是此时还没有真正将控制权转移过去,如果在这个时候出现中断打断这些操作,就会出现 current 中保存的并不是正在运行的线程的中断控制块,从而出现错误;

运行结果如下:

扩展练习Challenge:实现支持任意大小的内存分配算法

通过少量的修改,即可使用实验2扩展练习实现的 Slub 算法。

  • 初始化 Slub 算法:在初始化物理内存最后初始化 Slub ;
void pmm_init(void) {
...
kmem_int();
}
  • 在 vmm.c 中使用 Slub 算法:

为了使用Slub算法,需要声明仓库的指针。

struct kmem_cache_t *vma_cache = NULL;
struct kmem_cache_t *mm_cache = NULL;

在虚拟内存初始化时创建仓库。

void vmm_init(void) {
mm_cache = kmem_cache_create("mm", sizeof(struct mm_struct), NULL, NULL);
vma_cache = kmem_cache_create("vma", sizeof(struct vma_struct), NULL, NULL);
...
}

在 mm_create 和 vma_create 中使用 Slub 算法。

struct mm_struct *mm_create(void) {
struct mm_struct *mm = kmem_cache_alloc(mm_cache);
...
} struct vma_struct *vma_create(uintptr_t vm_start, uintptr_t vm_end, uint32_t vm_flags) {
struct vma_struct *vma = kmem_cache_alloc(vma_cache);
...
}

在 mm_destroy 中释放内存。

void
mm_destroy(struct mm_struct *mm) {
...
while ((le = list_next(list)) != list) {
...
kmem_cache_free(mm_cache, le2vma(le, list_link)); //kfree vma
}
kmem_cache_free(mm_cache, mm); //kfree mm
...
}
  • 在 proc.c 中使用 Slub 算法:

声明仓库指针。

struct kmem_cache_t *proc_cache = NULL;

在初始化函数中创建仓库。

void proc_init(void) {
...
proc_cache = kmem_cache_create("proc", sizeof(struct proc_struct), NULL, NULL);
...
}

在 alloc_proc 中使用 Slub 算法。

static struct proc_struct *alloc_proc(void) {
struct proc_struct *proc = kmem_cache_alloc(proc_cache);
...
}

本实验没有涉及进程结束后 PCB 回收,不需要回收内存。

参考文献

ucoreOS_lab4 实验报告的更多相关文章

  1. ucoreOS_lab 1~8 实验报告导航

    所有的实验已经全部完成,实验的源代码及报告都在 Github 上,欢迎大家批评指正,如果觉得对你有帮助的话,欢迎为此项目 star & watch & fork 三连,让更多的朋友们看 ...

  2. 北京电子科技学院(BESTI)实验报告5

    北京电子科技学院(BESTI)实验报告5 课程: 信息安全系统设计基础 班级:1452.1453 姓名:(按贡献大小排名) 郑凯杰.周恩德 学号:(按贡献大小排名) 20145314.20145217 ...

  3. 北京电子科技学院(BESTI)实验报告4

    北京电子科技学院(BESTI)实验报告4 课程: 信息安全系统设计基础 班级:1452.1453 姓名:(按贡献大小排名)周恩德 .郑凯杰 学号:(按贡献大小排名)20145217 .201453 指 ...

  4. 20145215&20145307信息安全系统设计基础实验报告

    20145215&20145307信息安全系统设计基础实验报告 PART1 一.实验原理 交叉编译,简单地说,就是在一个平台上生成另一个平台上的可执行代码.同一个体系结构可以运行不同的操作系统 ...

  5. 北京电子科技学院(BESTI)实验报告1

    北京电子科技学院(BESTI)实验报告1 课程: 信息安全系统设计基础 班级:1452.1453 姓名:(按贡献大小排名)郑凯杰 .周恩德 学号:(按贡献大小排名)20145314 .20145217 ...

  6. 北京电子科技学院(BESTI)实验报告3

    北京电子科技学院(BESTI)实验报告3 课程: 信息安全系统设计基础 班级:1452.1453 姓名:(按贡献大小排名)周恩德 .郑凯杰 学号:(按贡献大小排名)20145217 .201453 指 ...

  7. 20145205 《Java程序设计》实验报告五:Java网络编程及安全

    20145205 <Java程序设计>实验报告五:Java网络编程及安全 实验要求 1.掌握Socket程序的编写: 2.掌握密码技术的使用: 3.客户端中输入明文,利用DES算法加密,D ...

  8. 20145220&20145209&20145309信息安全系统设计基础实验报告(5)

    20145220&20145209&20145309信息安全系统设计基础实验报告(5) 实验报告链接: http://www.cnblogs.com/zym0728/p/6132249 ...

  9. 20145220&20145209&20145309信息安全系统设计基础实验报告(3)

    20145220&20145209&20145309信息安全系统设计基础实验报告(3) 实验报告链接: http://www.cnblogs.com/zym0728/p/6132243 ...

随机推荐

  1. 深入selenium模块基础操作

    selenium模块的基本操作 一.模拟浏览器 ​ 谷歌.Firefox.Safari等浏览器 browser=webdriver.Chrome() browser=webdriver.Firefox ...

  2. 设计院老师良心汇总:值得牢记的15个CAD基础技巧,能帮大忙

    哈喽!你们的CAD魔鬼(老师)来喽! 良心CAD技巧汇总,设计院师傅精心汇总,值得你牢记的15个CAD基础技巧,满满的都是干货,日常最常见的问题以及解决方法这里都汇总给你,给你高效的绘图体验,关键时刻 ...

  3. 地图SDK全新版本v4.3.0上线 - 新增多项功能及优化

    以下内容转载自腾讯位置服务公众号的文章<地图SDK全新版本v4.3.0上线 - 新增多项功能及优化!> 作者:腾讯位置服务 链接:https://mp.weixin.qq.com/s/hb ...

  4. R Data Frame

    https://www.datamentor.io/r-programming/data-frame/ Check if a variable is a data frame or not We ca ...

  5. 使用VSCode创建一个Vue项目

    vue-cli 是vue.js的脚手架,用于自动生成vue.js模板工程的. 安装vue-cli之前,需要先安装了vue和webpack · node -v          //(版本低引起:bas ...

  6. Create an op on tensorflow; 在tensorflow 1.7/2.0 中创建一个 Op操作

    最近项目,需要创建一个 tensorflow 的一个自定义操作,用来加速tensorflow的处理效果:下面对创建过程中,遇到的问题和资源进行简要记录,进行备忘: OP 创建 参考链接: https: ...

  7. 关于学习和开发Android的一点体会

    在谷歌中国安卓开发官网的 https://developer.android.google.cn/guide 之下有许多开发资料,有讲解,和例子.分门别类很清楚. 在 https://develope ...

  8. 使用 Hbuilder 连接手机调试移动端项目

    点击界面上的浏览器右侧的倒三角.   弹出列表以后,点击最后一行 “设置web服务器...”.继续弹出,点击右下角的“外置Web服务器设置”.   点新建.   弹出框后,填入“名称”和“浏览器运行U ...

  9. PHPer的项目RESTful API设计规范是怎样的?

    RESTful 是目前最流行的 API 设计规范,用于 Web 数据接口的设计. 什么是RESTful RESTful是一种软件设计风格, 主要用于客户端与服务端交互的软件. 一般来说RESTful ...

  10. 2019年9月Github上最热门的JavaScript开源项目

      2019年9月Github上最热门的JavaScript开源项目 前端开发 前端开发 微信号 qianduan1024 功能介绍 专注于Web前端技术文章分享,包含JavaScript.HTML5 ...