在上一部分中,我们了解到操作系统实现多进程图像需要组织、切换、考虑进程之间的影响,组织就是用PCB的队列实现,用到了一些简单的数据结构知识。而本部分重点就是进程之间的切换。


参考资料:


1. 用户级线程

1.1 线程

我们聊的是进程切换,为什么引入了线程

  • 进程 = 资源 + 指令执行序列,资源包括内存映射表等等

    实现进程之间的切换是需要消耗资源的,当进程切换频繁,这种消耗就不能忽视了;

  • 是否可以资源不变而只切换指令执行序列呢?实现了多段程序交替执行,而且不需要切换资源这种消耗时间的操作,时间上还会更快;

    实质就是映射表不变而PC指针变

  • 由此引入线程的概念,Thread.

  • 进程 = 一个资源 + 多个指令执行序列(即多个线程)

    • 只切换指令执行序列,而不切换资源
    • 保留了并发的优点,避免了进程切换代价

本部分专注于线程的切换,而不关注资源的切换,而大的进程切换,需要结合内存管理来理解。

线程切换也是进程切换的一部分,学习线程的切换也就是在学习进程切换的一个部分。

可以理解为:进程切换=线程切换 + 内存映射表切换。

1.2 线程设计的实用性

上面提出了一种轻量化进程的想法,下面分析这种想法是否实用。

  • 以浏览器为例,

    • 当前浏览器打开多个 Tab 页面是多进程,而加载同一个页面的不同资源是多线程,比如:js引擎线程;定时触发器线程;GUI渲染线程等等

    • 这样就比单线程顺序加载好很多;

    • 而且这些线程还要共享资源,比如接收数据的线程从网站上接收的数据还需要在显示文本、显示图片的线程上使用;所以没有必要进行地址分离,在同一套地址上处理更为方便;

1.3 浏览器多线程的设计理解

尝试简单实现这个浏览器多线程模型,借此理解操作系统的实现方式.

//下面代码,启动了多个线程,同时出发
void WebExplorer(){
char URL[] = "http://cms.hit.edu.cn"
char buffer[1000];
pthread_create(...,GetData, URL, buffer);
pthread_create(...,Show, buffer); }
// 从网站上下载数据包,如文本、图片
void GetData(char *URL, char *p){...};
// 到显示器上显示内容
void Show(char* p){...};

上面代码只讲了多个线程同时出发,下面还要实现线程之间的交替执行,才叫多线程,才能提高CPU利用率:

  • 需要在线程的执行函数中(如GetData())增加一些内容

    上文提到过的在读写磁盘时释放CPU需要内核级线程的支持,本部分先讲解用户级。用户级线程完全是用户态,不会进入内核。

  • 要想切换用户级线程,需要主动调用 yeild 来释放CPU

    可以完全不靠操作系统实现线程切换,也就是说线程切换可以手操切换,这也是多线程编程的理论基础。具体可见yeild源码

  • 比如,当GetData将文本下载完成后,调用yeild主动释放CPU,切换出去,进行文本的显示工作

    yield 礼让,让当前线程从运行态进入就绪态,重新与其他线程争夺进入运行态

1.4 Create && Yield 函数理解

  • Yield 函数

    释放CPU控制权,进行进程间的切换,

  • Create函数

    创建线程,就可以实现同时触发多段代码,Create就是要制造出第一次切换时应该的样子

1.4.1 Yield && 线程切换机制

举个实际程序例子:

  • 首先执行A,会跳到B执行,由于B执行完之后会返回A执行,所以要将B函数返回地址104 压栈

    这是线程内部的函数调用

  • B执行时调用了 Yield,于是跳到Yield 去执行,同样地,把返回地址压栈。

  • Yield 的核心操作就是修改PC指针;在该例子中指向了线程二地址为300的C函数,调用D函数,压栈返回地址304;

  • 执行D函数,又使用了 Yield,压栈404;而此处的Yield的跳转就是找下一个线程需要进行处的程序地址。如果从(2)跳回(3),则为204.

  • 返回左侧204处后进行到右大括号,会成为ret汇编指令,进行弹栈操作,弹出了404,

  • 这样,程序就出错了,因为线程由于函数调用的关系在栈中纠缠起来了

问题出在哪呢?

  • 我们想要实现的是,单个线程中就做该线程中的事情,因而204返回后应当弹出104,但是弹出了404.
  • 本质问题:两个线程共用了一个栈
  • 我们需要将不同线程的栈分开:如下图所示:

这个跟进程不能共享内存需要地址映射的原因相似,因而处理时采取的操作也类似:

  • 每个线程拥有自己的栈,但切换线程也需要切换栈,需要结构来存储栈的情况;

  • 在线程跳转前,用 TCB 存储栈情况,

    TCB:Tread Control Block

    ESP(Extended Stack Pointer):扩展栈指针寄存器

  • 比如线程1切换到线程2时,将左侧的栈放入TCB1(具体操作是esp的当前值1000放入TCB,保存了当前指令地址),切换回来时,就从TCB1中恢复(具体操作为TCB中的esp重新赋值给esp,使其指向原先指令地址)。

    线程2 转移到 线程1 同理;

    栈切换完成后,(栈只存储了函数调用的返回的地址等信息),还需要PC的切换,即进行上图的jmp 204,到达204处向下执行,到达ret指令,要弹栈返回;

    结果,弹栈返回204,重新回到了204处。乱套了。

  • 虽然这样保证了函数调用只在一个栈中跳,但是还是出现了问题。

    我们想一下204是怎么来的?

    • 在调用 Yield() 时,将 204 压入栈中,那就应当在 Yield 返回时弹,而 Yield 返回处实在上图的右括号处,而右括号前面的jmp指令导致其永远不会返回,也就永远弹不出204.

    • 所以把 jmp 204 去掉。

      即 Yield 只需要切换栈,不需要进行PC的转换

      函数调用的压栈机制已经做了这件事。

1.4.2 Create

前面已经提到过了,Create 即做出切换所需的样子:

三样:栈 + TCB + 存放在栈中的返回地址

执行过程:

  • 申请内存分配TCB
  • 申请内存来分配栈
  • 栈顶压入线程的初始地址
  • TCB中保存栈顶指针
  • Create返回的时候,从栈里弹出的地址就是线程的初始地址

具体见下面代码:

1.5 梳理整合

上面Create 和 Yield 都明白后,多线程的情况也就基本实现了。可以把上面的浏览器代码和多线程组装在一起:

  • 用一个主程序,开启各个线程,每个线程设计自己的函数进行自己的工作;

  • 在浏览器的各线程中调用 Yield ,使 CPU 进行线程切换。

  • 而通过Yield函数弹栈,实现PC的切换;

  • 将这些函数统一编译在一起,就得到了浏览器

1.6 Yield 是用户程序

为什么这一部分是用户级线程呢?

  • 上述举的例子是浏览器的例子,我们的实现(Yield)也没有涉及太多操作系统的内容, Yield 是一个用户程序层面的函数,完全没有进入内核。

    用户级线程是内核级线程切换的子部分,而且这个子部分是可以单独使用,与操作系统的联系并不紧密;理解起来较为简单;

    Yeild 中包含next(),它是用来线程调度的,即选择下一个占用CPU的线程

  • 缺点:

    • 以上述浏览器为例,执行GetData时,由于时从网上下载数据,需要进行网卡IO,网卡是计算机硬件,要想访问硬件必须通过操作系统

    • 而网卡IO会慢一些,会引发进程阻塞,进而执行其他进程

    • 重点来了,由于内核看不到同进程的其他线程,OS 就切换到了其他进程,达不到上述线程切换的效果

      即使CPU只有当前浏览器一个进程,OS 也会空转,因为用户级线程对操作系统不可见。

而核心级线程 ThreadCreate 是系统调用,创建线程时,会进入内核;TCB也在内核中;此时各个线程对于操作系统是可见的,当 GetData 停滞,操作系统就会切换到其他线程(如Show)

内核级线程的并发性更好。

当然,对于内核级线程而言,此时 原先的 Yield 成为内核级的程序 Schedule,对于用户就不可访问了。

2. 内核级线程

Kernel Threads.

回到我们提出线程的初心,是想分而治之地实现进程切换,线程切换即进程切换中的指令流切换,而在用户级的线程无法实现进程切换的全部特征(因为进程是在内核中的,用户级线程无法深入内核)。

我们可以通过用户级线程理解线程的相关特点,而前文所说的:进程切换 = 线程切换 + 资源切换(内存管理)中的线程,实际上应当是 内核级线程。

而实际上,用户级线程也是内核级线程的一部分。

这部分就主要来看如何切换内核级线程

2.1 为什么会有内核级线程

核心级线程的优点和必要性原因有很多,我们只挑其中一个讲解。

  • 当前PC机多核居多,如果操作系统不支持核心级线程,那么计算机多核的设计是无效的。

  • 下图左侧为多处理器,右侧为多核;

    多处理器架构,每个处理器有自己的缓存、内存映射(MMU)

    单个处理器多核架构,只有一套缓存+内存映射,有多个运算部件

  • 两者的区别是多处理器的每个CPU都有自己的一套缓存和MMU(内存映射,Memory Management Unit);后者多核中多个CPU使用同一套缓存和映射,多个执行序列使用同一套资源和映射,所以多核实际上就是多线程。

  • 而如果我们要使用多核,也即我们要将多个程序分配到多核架构的多个CPU上,这时我们的操作需要面向硬件、分配到物理设备CPU上;需要穿过内核,所以这时线程需要是内核级线程

  • 小总结,为什么进程不能满足需求呢,以及内核级线程为什么是必要的?

    如果没有线程,只有多进程,那么 MMU 内存映射在多进程切换的时候就必须跟着切换,共享的Cache、MMU 就会失去意义,变得很麻烦;

    充分发挥多核架构的效果是并行。

    并行和并发:

    • 并行是同时触发、同时执行,相当于多个人分别同时来做多件事;
    • 并发是同时出发交替执行,只有一套资源;相当于一个人干干这个又干干那个;
    • 不要把多核、多处理器的架构概念和并行、并发捆绑在一起。两种概念的判定标准并不一样。

    如果没有内核级线程,只有用户级线程,那么操作系统内核就无法感知这些线程,也就无法把这些线程分配到多个核上,多核就失去了意义

下图展示的就是,用户程序级别的函数只有通过内核,才能分配到底层的核中合理使用。

2.2 内核级线程实现原理

内核级线程和用户级线程的区别:

  • 用户级线程两个线程之间分用两个栈
  • 内核级线程两个线程之间分用两套栈;

一套栈是指每个内核级线程有一个用户栈和一个内核栈;进行两个内核级线程的切换就需要切换的两个线程的栈,即两套栈。

关于用户栈和内核栈:

  • 我们平时使用的是在用户级别的程序,所以还是需要用户栈;
  • 而进行内核级线程切换需要进入内核,并且内核中相应也有函数调用,所以需要内核栈。

什么时候会出现内核栈呢?

  • 进入内核时;具体点说,进入内核的唯一方式就是 中断

  • 在用户态执行时就使用用户栈,一有对应中断,操作系统通过硬件会找到内核栈并启用

    如何找到内核栈下部分 3 会细说。

收到中断,内核态启用后需要压栈,需要在内核栈中先依次压入源SS、源SP、EFLAGS、源PC、源CS等内容

源SS和源SP是指向用户栈的指针,也就是说内核栈中存放了指向用户栈的指针;源PC和源CS是用户栈中的返回地址;(这点非常重要!

SS:存放栈顶段地址,SP:存放栈顶偏移地址

EFLAGS 是标志寄存器,用于存放一些标志位,保存当前运行状态;比如进位,溢出,奇偶等等,详见:X86标志寄存器EFLAGS详解

从内核态返回用户态的时候(IRET中断返回指令),会从内核栈弹出这些信息,根据这些信息就可以恢复到用户栈;

2.3 内核级线程原理举例

通过一个例子来看看通过中断进入内核级线程,过程是什么样的。

  • A调用B,B中不再调用yield,调用read()库函数,展开为一段含 int 0x80 的指令

  • 触发中断,进入内核,启动内核栈

  • 内核栈按次序保存了

    • SS:SP,指向用户栈的指针
    • EFLAGS,标志位
    • 304(PC),返回用户程序的偏移地址
    • CS,返回用户程序的段基址
    • 1000是调用 sys_read 时压入栈中的PC值,
  • 系统调用返回(IRET)的时候,就会根据 SS:SP 切换回用户栈,根据 CS:PC 切换到用户程序的指令;

那么如何实现内核级线程切换呢?

  • sys_read 启动磁盘读,将自己变成阻塞,操作系统去找下一个线程并切换

    sys_read(){
    //找到next;
    switch_to(cur,next);
    // next 和 cur 分别是下一个和当前的 TCB
    }
  • 这里 TCB 和用户级线程相似,依然是要保存当前栈指针,通过下一个内核级线程的 TCB 找到内核栈指针,然后通过 ret 切换到某个内核程序,再通过上面提过的 cs:pc 切换到用户程序。

    更详细地说:

    用当前的 S 线程的 TCB,把当前S的栈顶地址 esp 存下来;存下来之后,进入到 next 下一个线程 T;

    这时要把 T 线程的 TCB 中的栈顶地址拿出来赋给esp寄存器,这样才能把T线程的栈利用起来;

    进入 T 线程后,在内核中的工作往往只是任务的一部分,我们还需要回到 T 线程的用户级去进行,所以借助 T 线程的栈中的 PC 和 CS 能够链接到 T 线程的用户态代码,接着去执行它;

    而利用 ss:sp 就可以链接到线程 T 的用户栈;

如何实现 线程T 栈的切换(即拿到内核栈向用户态切换)?

  • 答:包含 iret 中断返回 的代码。
  • 上图问号处的具体填写,如下图:
  • PC:CS 是500,是函数 C 的开始地址
  • ????是 包含 iret 中断返回的 代码地址

2.4 内核线程 switch_to 的五段论

这里对 2.3 中的内容再做一次梳理,归纳整理为五个部分。

  1. 中断入口:由 线程A 的 用户态代码进入内核,才能完成内核栈与用户栈的联系

  2. 中断处理:引发线程切换,找到下一个线程的TCB

    这里引发线程切换的原因有很多,比如操作系统的分时系统,当时钟中断时,也会引出 schedule。

  3. 根据 找到的TCB ,调用 switch_to;

  4. 内核栈切换

  5. 中断出口:使用 iret 内核栈返回到线程 B 的用户栈和用户态代码

    下部分会再详细讲解这部分的代码。

2.5 ThreadCreate 的实现原理

跟用户级线程一样,讲完线程切换的机制,就要说一说线程的初始化与创建机制(1.4.2的 Create)。

回忆上文 内核栈线程切换 所需的结构:

  • 用户栈 + 内核栈 + TCB

将它们做成可以如上文切换的样子就可以;

  • 申请一段内存作为 TCB;

  • 申请一段内存作为 内核栈;

  • 初始化内核栈;

  • 申请一段用户段内存作为用户栈;

  • 将内核栈指针指向用户栈;

  • 设置函数地址;

    此处CS一定是0F,至于为什么,在内存管理处会提及,也可以参见《Linux 源码剖析》。

  • TCB关联内核栈;

2.6 简单总结

用户级线程、核心级线程的对比,用户级线程和核心级线程搭配的效果最好;

  • 代价:用户级线程完全不需要进入内核,也就不需要额外的内核数据结构,用户想起多少个用户级线程都行,就像浏览器想开多少个标签都行,如果用内核级线程来启动浏览器标签,那么启动多了之后就卡了;

  • 用户灵活性:用户级线程可以由用户利用 Yield 自己实现调度,自己决定什么时候切换,而核心级线程的调度与切换是在内核中提前写好的。

3. 内核级线程实现

这部分来讲内核级线程的具体代码实现。

linux0.11 不支持内核级线程,但是进程和内核级线程非常像,只是没有资源切换。大实验就是在0.11内核上实现内核级线程;

内核级线程的切换过程对用户程序来说是透明的,用户可以看见的只是用户栈、用户级线程的切换。

  • 具体实现过程如下图所示,

    切换的原理就是上面第二部分的五段论,两套栈之间的切换

  • 用户栈1通过 int 中断进入内核
  • 内核栈1 -> TCB1
  • TCB切换,即找到下一个 TCB2
  • TCB2 -> 内核栈2
  • 完成切换后通过 iret 返回用户态2

3.1 中断入口:进入内核

3.1.1 int 0x80

这一部分应当与上文2.3结合着看。

前面提到过,进入内核靠的是中断,引起中断的原因有很多:系统调用、时钟中断、键盘中断等;我们比较熟悉的是系统调用引起的中断,比如 fork() 这个系统调用。

fork,创建系统线程调用;从这里进去内核就可以看到创建线程、切换线程两个过程。

代码:

main(){
A();
B();
}
A(){
fork();
}
  • 调用main,将返回地址exit压入用户栈

  • 然后main函数中,首先调用A,将返回地址B压入用户栈

    A 的返回地址就是 B的初始地址,所以是 ret=B;

  • 接下来进入A函数,调用 fork 函数,fork函数展开成汇编代码:

    # 首先将__NR_fork(即系统调用 fork 的编号)放入 eax 寄存器
    mov %eax,__NR_fork
    # 然后就是int 0x80中断指令,开始做进入内核态的准备工作
    INT 0X80
    mov res,%eax

    现在用户栈为下图中间的模样:

  • 一旦执行 INT 指令,开始做进入内核的准备工作;

    • CPU 就找到 当前内核栈;

    • 在内核栈中压入 指向当前用户栈的 SS:SP

    • 在内核栈中压入EFLAGS

    • cs和ip:压入用户程序的返回地址,即 int 中断指令的下一条;

    • int 0x80 对应的是系统调用,开始执行_system_call的代码

3.1.2 _system_call

前面几讲讲过,int0x80是由 system_call 函数来处理的。

这里需要复习第二讲,操作系统接口。当时以 whoami为例讲解了上层用户程序 到 sys_write 级别函数的工作机制。

下面来看看 system_call 做了什么:

  • 3.1.1 中,我们依然处于用户态,需要中断进入内核来实现上面所说的压栈工作,这与前文提到的压栈并不矛盾,只是更深入解析其实现过程;

  • 将当前用户态的寄存器等数据放入内核栈中(保存现场),用于将来切换回该线程后弹栈返回该线程的用户层:

    void sched_init(){
    set_system_gate(0x80,&system_call);
    }
    _system_call:
    push %ds..%fs
    push1 %edx...
    call sys_fork
    push1 %eax
    #这一句在3.4中又提到了

    调用 sys_call_table 表 中的 sys_fork进入内核来具体地处理创建线程这件事;

    具体sys_fork的功能性代码,即创建进程的过程,这个在3.4 fork时再讲,

到这里就是五段论中的第一段:从用户栈到内核栈的关联建立;接下来需要在内核中进行中间三段。

3.2 中间三段:进行切换

这部分就是五段论中的中间三段

泛化一点讲,进行 sys_fork 级别的功能代码时,可能就会因为需要等待磁盘、键盘等设备响应而引起系统的阻塞,或者遇到系统的时钟阻塞,进而需要进行线程切换

上文的例子中,sys_fork 的功能代码本身并不会引起阻塞(要想阻塞只会是类似于系统的时钟阻塞),所以在代码 call sys_fork 后会继续向下执行,会有如下判断程序:

mov1 _current,%eax
cmpl $0,state(%eax)
jne reschedule
cmpl $0,counter(%eax)
je reschedule
ret_from_sys_call:

注意这里是AT&T汇编,和 intel 汇编(王爽汇编)刚好反着的。

state 此前存放在PCB中:

current是当前的PCB结构体的地址。state是该结构体的一个成员,如果当前 state≠0,表示当前进程阻塞,就进行 系统重新调度(schedule),实现线程切换:reschedule;至于下面又出现了 cmpl $0,counter(%eax),并跟着一句 je;意思是判断操作系统的时间片是否用光,用光了也需要切换。

切换完后,就是五段论的第五段中断出口 iret :ret_from_sys_call。见 3.3 中断返回。

reschedule 的汇编代码:

reschedule:
push1 $ret_from_sys_call
jmp _schedule

可见放入地址后,调用 _schedule 这个C函数;当C函数返回,就会从栈中弹出,执行 上文的 ret_from_sys_call. 返回到用户层。

那么 schedule 引发了什么:

  1. 调度 next,依据一定的规则找到下一个线程/进程以及PCB,这个规则后面专门用一篇笔记来学习。

  2. switch_to,linux0.11目前不是用内核栈切换的,而是通过TSS,tasks struct segment进行切换的,实验四是要将其变成基于 内核栈Kernel Thread 的切换。

    前者实现原理简单,但效率较低;后者是现代操作系统普遍使用的方法。

3.2.1 TSS 切换

intel CPU架构已经实现了这种方式,代码只需要 ljmp一句即可;下面看看这种跳转方式:

  • ljmp指令是长跳转指令,即TSS段的跳转切换,使用TR寄存器+GDT表,如上图所示:

    TSS在内存中,104个字节保存着所有的寄存器的值

  • TR是TSS段的选择符(选择子),拿这个选择符TR去查GDT表,找到对应的TSS描述符,这个TSS描述符指向了TSS段

    这一点跟前几讲中查找GDT表的方式一样。

    TR-> GDT表中的TSS的描述符-> TSS段

  • 上面调度算法选择下一个进程后:

    1. 原来的TSS段是通过一个TR来查找的(类似于一个指针存贮着任务信息的地址)

    2. 当进行核心线切换的时候,会将TR指向第二个线程描述符,也就是通过调度算法找到的线程n,其对应的TSS(n)

    3. 第2步中,将TR切换到新的线程段,所以将此时的线程信息填入到CPU中

      这里的 TSS(n) 中的 n 就是 GDT 表的索引

参考资料:《Linux内核完全解析》第五章

具体代码如下,是一段内嵌汇编,具体语义不细说了,就是上面的过程。


分析:

  • 与 内核栈的对比:TSS记录了所有的信息,而内核栈只记录必要的信息,并且利用函数调用栈的特性少记信息。
  • 由于TSS保存了很多东西,所以切换很慢(保存现场和恢复现场的过程很慢),并且只用ljmp一条指令完成,也不能通过指令流水来优化,不能充分利用CPU的流水线加速

3.2.2 内核栈切换

这部分在实验四中,具体实现在实验中体会。

  • TSS方案:核心就是3条指令:int、switch_to中的ljmp、iret,再加上其它的代码,总共加起来20、30句;

  • 改成栈的方案,也不会超过100句。

3.3 中断返回:返回用户态

前面3.2中3.2.1 之前的部分讲解到,ret_from_sys_call会实现返回用户层。

ret_from_sys_call:
pop1 %eax
pop %fs... ###一堆pop弹栈,弹出用户的东西
iret ###最核心代码,返回到用户层

3.4 ThreadCreate | fork

3.4.1 fork 过程 && copy_process参数表

前文3.1.2中讲到了 sys_fork 的功能代码,下面继续接着这里向更深处讲解:

fork实际上是 linux 中创建子进程的一种方式,创建子进程,所以可以通过 fork 这个系统调用看看 ThreadCreate 的过程。

fork实际上要做的是,把原来的进程一分为二,一条为调用fork的父进程,另一条是父进程调用fork函数copy出来的子进程。

形状上像一个叉子。

sys_fork的功能代码如下图:

  • push语句,将当前进程的参数压入父进程的内核栈

  • 调用了 copy_process 这个C函数,将上述参数传递给子进程;

  • 调用 copy_process 时就会倒序从栈里取出参数,按照这些参数来创建子进程;

    copy_process 的参数表与栈的对应情况:

    (注意这里栈被分为左右两部分:

    • 栈里的eax对应第一个参数int nr

    • 栈里的ebp对应第二个参数long ebp

    • ......

    • 栈里的ret= ??1 对应参数 long eip,也就是int 0x80的下一条指令的地址作为返回地址,

      这里可见3.1.1 int0x80,也就是上面所说的B函数。

    • 右部分的最底端就是 _sys_fork的第一条push指令放入的 gs

    • 右部分的最顶端 ??4 就是 call _copy_process的时候的PC,对应指令 addl $20, %esp

    • 左部分的最顶端 ??2 就是 call _sys_fork 的时候的PC,翻到上面的图可以看到,对应的指令是 pushl %eax

    左部分的内容是从进入 int 0x80 中断到 call _sys_fork之前就准备好的,右部分的内容是进入 sys_fork 后才准备的参数

  • 这样子进程就跟父进程基本一样;(只有一个地方有差别)

3.4.2 copy_proces 的细节

回忆一下前文2.5中的创建进程需要做的事情:

  • 申请内存空间
  • 创建TCB
  • 创建内核栈和用户栈
  • 填写两个栈
  • 关联栈和TCB

copy_process 要做的事情是:

  • 申请内存创建TCB

    • get_free_page();获得一页内存;

      而不是 malloc(用户态代码),这一点后续内存管理会讲;

    • 页:系统初始化时,mem_map 将内存打成4k为单位的单元格;这里的 PAGE_SIZE 就是 4k。

    • 通过强制类型转换作为PCB

    • p是页的初始地址

  • 初始化TSS,创建内核栈和用户栈:

    注意,这里是3.2中TSS的切换方案,没有使用内核栈和用户栈,只是说相当于设置用户栈和内核栈

    这里esp0表示内核栈;esp表示用户栈;

    • esp0指向页的顶端地址

    • 0x10 表示内核数据段和内核堆栈段(一个段)

    • 这样如下图所示,一页内存中底下是PCB,上面是内核栈;这样内核栈和PCB就设置好了;

    • --------------------下面是设置用户栈---------------------------

    • ss 和 esp 是上文 3.4.1 中的 copy_process 中的参数表的内容;由父进程传递给当前正要创建的子进程;

    • 这说明:父进程和子进程用的是相同的用户栈

      当然,内核栈是分开的,用户栈可以共用。

    • 并且这句话也关联了栈和TCB

      至此,除了填写两个栈没有做,其他四步都做了

    • 而填写栈不需要,因为基于内核栈切换中,主要填写eip,而TSS切换中eip已经存入TSS,不需要填写栈,只需要用TSS初始化一下即可。

      eip是int指令执行后的下一句话,本文例子中的B函数

接下来初始化TSS,即使用copy_process传入的参数来初始化子进程的TSS。

  • p->tss.eip =父进程传入的 eip,也就是说返回用户态后,执行的第一条指令地址(int 0x80的下一条指令)和父进程保持一致

  • p->tss.cs 同理

  • p->tss.eax 置为0,eax保存的是返回值,见上文3.1.1中 的汇编代码最后一句;

看下面我对于整个过程的梳理

  • 剩下的部分与内存管理 有关。

nr不是地址,而是task数组中空闲task_struct的标号!

下面梳理一下整个父子进程的过程:

  1. 在A函数中运行,遇到了fork,也就是父进程执行如下汇编代码(3.1.1~3.2的例子,以及其对应的汇编)

    # 首先将__NR_fork(即系统调用 fork 的编号)放入 eax 寄存器
    mov %eax,__NR_fork
    # 然后就是int 0x80中断指令,开始做进入内核态的准备工作
    INT 0X80
    mov res,%eax
  2. fork 执行完毕,新建了一个子进程,此时还没有执行子进程。则int指令结束,返回,接下来会执行 3.1.2 中的 _system_call

  3. 虽说fork的功能代码不会引发阻塞,但是我们假设其引发了阻塞(比如系统的时间片用完了,需要切换),于是system_call检测到阻塞,的调度下一个进程后,进行 switch_to

  4. switch_to 切换到子进程,子进程进行3.2.1 中的TSS切换,由于前文提过的父子进程的eip相同,则子进程开始就工作上面汇编代码的最后一句 mov res,%eax,这里子进程的eax已经被赋值为0

操作系统学习笔记4中的4.1 中提到过if(!fork()){...}的经典语句。

子进程调用fork()的返回值是0,父进程调用fork()的返回值是1,所以通常会用fork()的返回值区分是父进程还是子进程来编写代码。

达成的效果就是:

  • 子进程执行 if 语句段内的语句;父进程跳过不执行;
  • 形成了一个叉子(fork)状的分叉

3.5 如何执行我们的代码\实际举例

上述过程已经回扣了例子,可能还是抽象,用操作系统学习笔记4中 终端shell 的例子再说明一下。

下图可见,子进程通过 if语句结构,在父进程的壳子里(shell终端),执行自己的功能,比如 ls (子进程)在终端(父进程)里,但是执行自己显示目录的功能。

简单看看 exec 的系统调用讲解(此时就是子进程了):

  • exec 内部调用的是 sys_execve;

  • 子进程在sys_execve之前执行的就是 fork 的代码(与父进程相同),fork 的代码准备好了子进程的内核栈,大部分信息来自父进程

  • 随后子进程执行 _sys_execve,找到了命令功能性代码(实际上编译完成后是可执行文件),从可执行文件中取出必要的信息

    例如可执行文件的入口地址,即第一条指令的地址

    用这些信息修改了内核栈中用于 IRET 的参数,即返回地址,使得从sys_execve返回(IRET)后,就转而去执行输入的命令,之后执行的指令和父进程就完全没关系

sys_execve(最后这里没太懂原理,涉及了编译)

  • 下图2中就有 _sys_execve 的汇编代码

    首先计算得到 栈中EIP的地址

    0x1C是28,esp+28就是 ret=??1 的位置,也就是返回用户程序的地址

    压入栈中,作为 do_execve的参数,然后 call _do_execve

  • do_execve的代码如下2图

    将栈中EIP修改为ex.a_entry,即可执行程序的入口地址

    同时修改了即eip[3]即 SP为当前申请的页内存

    ex.a_entry 是可执行程序入口地址,在编译时产生可执行文件时写入。

4. 总结

  • 理解 switch_to 对应的栈切换,将自己变成计算机,能够执行整个过程
  • ThreadCreate的目的就是初始化一套栈。

操作系统学习笔记5 | 用户级线程 && 内核级线程的更多相关文章

  1. 操作系统学习笔记----进程/线程模型----Coursera课程笔记

    操作系统学习笔记----进程/线程模型----Coursera课程笔记 进程/线程模型 0. 概述 0.1 进程模型 多道程序设计 进程的概念.进程控制块 进程状态及转换.进程队列 进程控制----进 ...

  2. Django:学习笔记(9)——用户身份认证

    Django:学习笔记(9)——用户身份认证 User

  3. 并发编程学习笔记(3)----synchronized关键字以及单例模式与线程安全问题

    再说synchronized关键字之前,我们首先先小小的了解一个概念-内置锁. 什么是内置锁? 在java中,每个java对象都可以用作synchronized关键字的锁,这些锁就被称为内置锁,每个对 ...

  4. 深挖计算机基础:趣谈Linux操作系统学习笔记

    参考极客时间专栏<趣谈Linux操作系统>学习笔记 核心原理篇:内存管理 趣谈Linux操作系统学习笔记:第二十讲 趣谈Linux操作系统学习笔记:第二十一讲 趣谈Linux操作系统学习笔 ...

  5. ucore操作系统学习笔记(二) ucore lab2物理内存管理分析

    一.lab2物理内存管理介绍 操作系统的一个主要职责是管理硬件资源,并向应用程序提供具有良好抽象的接口来使用这些资源. 而内存作为重要的计算机硬件资源,也必然需要被操作系统统一的管理.最初没有操作系统 ...

  6. 操作系统学习笔记(五)--CPU调度

    由于第四章线程的介绍没有上传视频,故之后看书来补. 最近开始学习操作系统原理这门课程,特将学习笔记整理成技术博客的形式发表,希望能给大家的操作系统学习带来帮助.同时盼望大家能对文章评论,大家一起多多交 ...

  7. ucore操作系统学习笔记(一) ucore lab1系统启动流程分析

    一.ucore操作系统介绍 操作系统作为一个基础系统软件,对下控制硬件(cpu.内存.磁盘网卡等外设),屏蔽了底层复杂多样的硬件差异:对上则提供封装良好的应用程序接口,简化应用程序开发者的使用难度.站 ...

  8. 操作系统学习笔记10 | I/O、显示器与键盘

    从这一部分开始介绍操作系统的设备驱动,操作系统通过文件系统的抽象驱动设备让用户能够使用显示器.键盘等交互工具.并讲解printf和scanf是如何实现敲下键盘将字符显示到屏幕上的. 参考资料: 课程: ...

  9. ucos实时操作系统学习笔记——任务间通信(消息)

    ucos另一种任务间通信的机制是消息(mbox),个人感觉是它是queue中只有一个信息的特殊情况,从代码中可以很清楚的看到,因为之前有关于queue的学习笔记,所以一并讲一下mbox.为什么有了qu ...

随机推荐

  1. python基础学习5

    Python的基础学习5 内容概要 流程控制理论 if判断 while循环 内容详情 流程控制理论 # 流程控制:即控制事物执行的流程 # 执行流程的分类 1.顺序结构 从上往下按顺序依次执行 2.分 ...

  2. 如何在Uniapp中访问CabloyJS后端API管理系统

    介绍 CabloyJS是一款免费开源的NodeJS全栈开发框架,采用前后端分离设计,具备开箱即用的后台管理系统 Cabloy-SDK是专门为Uniapp应用量身定制的前端SDK,用于便捷的访问Cabl ...

  3. 线程安全性-原子性之synchronized锁

    原子性提供了互斥访问:同一时刻只能有一个线程进行操作: 除了Atomic包类之外,还有锁可以实现此功能: synchronized:  java关键字,依赖于jvm实现锁功能,被此关键字所修饰的,都是 ...

  4. .Net Core 企业微信更新模版卡片消息

    1.搭建回调服务器 可参考:https://www.cnblogs.com/zspwf/p/16381643.html进行搭建 2.编写代码 2.1接口定义 应用可以发送模板卡片消息,发送之后可再通过 ...

  5. SAP 日期计算

    1. CONVERSION_EXIT_IDATE_OUTPUT     INPUT:      20200601     OUTPUT:   03FEB2008 2. CONVERT_DATE_TO_ ...

  6. MySql字段增删改语句

    新增表字段:alter table 表名 需要添加的字段信息; ALTER TABLE nation add seq VARCHAR(20) COMMENT '顺序' 字段名的修改:alter tab ...

  7. while and do while

    package study5ran2yl.study; public class deno14 { public static void main(String[] args) { //计算1+2+. ...

  8. 常用Linux音译

    su:Swith user 切换用户,切换到root用户 cat: Concatenate 串联 uname: Unix name 系统名称 df: Disk free 空余硬盘 du: Disk u ...

  9. NAT模式 LVS负载均衡群集部署

    NAT模式 LVS负载均衡群集部署的操作步骤 实验环境准备: 负载调度器:内网关 ens33:172.16.10.1,外网关 ens37:12.0.0.1 Web节点服务器1:172.16.10.10 ...

  10. ORM框架介绍——什么是ORM框架?

    1.什么是ORM?对象关系映射(Object Relational Mapping,简称ORM)模式是一种为了解决面向对象与关系数据库存在的互不匹配的现象的技术.ORM框架是连接数据库的桥梁,只要提供 ...