Linux内核分析之时间片轮转调度

zh.c + 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

计算机工作中的三个法宝：

函数调用堆栈：记录调用的路径和参数的空间
存储程序计算机：冯诺依曼结构
中断机制：由CPU和内核代码共同实现了保存现场和恢复现场，把ebp,esp,eip寄存器的数据push到内核堆栈中。再把eip指向中断程序的入口，保存现场。

C代码中嵌入汇编代码

内嵌汇编语法

__asm__(
 汇编语句
 :输出部分
 :输入部分
 破坏描述部分（即寄存器改变部分）
 );

操作系统工作中的两把宝剑：

中断上下文
进程上下文的切换

时间片轮转调度代码分析

1. 首先分析mypcb.h文件中代码：

#define MAX_TASK_NUM 4 
#define KERNEL_STACK_SIZE 1024*8


/* CPU‐specific state of this task */
struct Thread 
{
unsigned long ip;  //保存该线程的%eip
unsigned long sp;  //保存该线程的%esp
};

/*定义了进程管理相关的数据结构*/
typedef struct PCB
{
int pid;  //进程id
volatile long state; /* ‐1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
char stack[KERNEL_STACK_SIZE];  //当前进程堆栈
/* CPU‐specific state of this task */
struct Thread thread;  //
unsigned long task_entry; //进程入口
struct PCB *next;  //下个进程，用链表链接下一个进程
}tPCB;

void my_schedule(void);  //调度器

该文件主要定义了进程和线程管理相关的数据结构

2.接着我们分析mymain.c文件的代码块

#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;  //在内核运行前初始化进程，从0进程开始
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; //进程的入口，从my_process函数开始，========(unsigned long)my_process是传入my_process函数的地址？？？？？？？
    task[pid].thread.sp = (unsigned long)&task[pid].stack[KERNEL_STACK_SIZE‐1];//该进程的栈顶
    task[pid].next = &task[pid]; //由于是第一个进程，还没有其他进程从而指向自己
/*fork more process */
for(i=1;i<MAX_TASK_NUM;i++)
    {
memcpy(&task[i],&task[0],sizeof(tPCB));  //===' 这里又干了啥？
        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; //从0进程开始
    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 由于刚开始时内核堆栈中%esp等于%ebp*/
"pushl %0\n\t" /* push task[pid].thread.ip 把0进程的eip入栈的目的是为了下一行代码赋值给%eip寄存器（程序员不能直接操作%eip寄存器）*/
"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*/
        );
} 

//my_process()函数是进程所做的工作
void my_process(void)
{
int i = 0;
while(1)
    {
        i++;
if(i%10000000 == 0)
        {
//打印调度前的进程ID
            printk(KERN_NOTICE "this is process %d ‐\n",my_current_task‐>pid);
if(my_need_sched == 1)
            {
                my_need_sched = 0;
                my_schedule();   //主动调度，，但是查看该文件，并没有发现#include "myinterrupt.c"文件，究竟是怎么导入该文件的呢,啊，不解啊。先留着这个坑
            } 
//打印调度后的进程ID，其实是原来的进程ID
            printk(KERN_NOTICE "this is process %d +\n",my_current_task‐>pid);
        }
    }
}

该文件的作用是初始化进程，定义了进程所做的工作，并开始启动进程

3.最后我们分析myinterrupt.c文件的代码块

#include <linux/types.h>
#include <linux/string.h>
#include <linux/ctype.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/vmalloc.h>
#include "mypcb.h"

//扩展全局变量
extern tPCB task[MAX_TASK_NUM];
extern tPCB * my_current_task;
extern volatile int my_need_sched;
volatile int time_count = 0;   //记录时间片
/*
* Called by timer interrupt.
* it runs in the name of current running process,
* so it use kernel stack of current running process
*/
//啊啊，我不知道谁调用了这个函数
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;
} 

//进程调度函数，在这个实验中是被mymain.c文件中my_process()函数所调用
void my_schedule(void)
{
    tPCB * next;
    tPCB * prev;  //当前进程
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 */
    {   //当下个进程已经在运行时所使用的进程间切换
/* 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
    {
//下一个进程并没有运行过。
        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;
}

这个文件主要作用是定义时间片的操作，进程间的切换

操作系统是如何进行工作的

操作系统首先初始化内核相关的进程，然后开始循环运行这些进程，进程间进行切换时，则利用内核堆栈所保存的每个进程的sp,ip即所对应的%esp,%eip寄存器中的值，对当前的进程的sp,ip即对应%esp,%eip寄存器的值进行保存(中断上下文)，并用下一个进程的sp,ip的值赋值给%esp,%eip寄存器（进程间切换)。

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