• 哈工大李治军老师操作系统笔记【11】：操作系统的那棵“树”（Learning OS Concepts By Coding Them !）

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    多线程操作是进程切换的核心

    1 CPU

    1.1 运转CPU

    • 怎么使用CPU？不断的取址执行就是使用CPU
    • 单道程序，CPU的利用率很低，所以提出多道程序的概念，程序之间的切换可以用栈来做

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    • 单道程序设计效率不行
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    • 转入多道程序设计
    • 开始切换
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    1.2 利用栈进行程序切换

    • 利用栈来进行程序之间的切换
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    • Yield就是一种跳转
    • Yield()找到下一个TcB→找到新的栈→切到新的栈
    • 因为不能一直执行用户态，这样内核进程就切不回去了
    • 所以引出了内核态

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    1.3 引入内核态

    • 用户级线程存在缺点，操作系统内核调用阻塞时无法感知用户级线程
      • 引出内核级线程及其切换

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    • 既然指令的切换就是栈的切换实现，那么到了内核是不是也有栈？
    • 从用户栈到内核栈，内核栈到TCB，TCB直接进行切换，TCB切换完了以后内核栈切换，切换完了跟着用户栈切换，这就是两套栈的切换，这是思维递进的结果

    1.4 idea的实现

    • 提出一个简单、清晰、明确的目标：在屏幕上交替输出A和B
    • 从用户代码开始，注意AB指的是主进程

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    • int 0x80 -> sys_fork -> copy_process

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    • jne就是根据返回值进行操作判断
    • 上方是进行cmp比较，看res和0是否相等，等于就执行子进程；不等于就跳转到208接着运行父进程
    • int 0x80 -> sys_fork -> copy_process
    • 以下是int 0x80之后进入内核的过程
    • 进入内核后就有用户栈和内核栈
    • 进入到内核当中，int 0x80就是要执行system_call
    • 执行完system_call就要执行sys_fork
    • 执行完sys_fork就要跳转到copy_process
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    • 其中copy_process就是在内核中做出新的一套PCB来，然后做出一个新的栈

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    • 然后把PCB里面的tss都写好，eip都置好
    • eip就是父进程int 0x80的代码
    • 再把eax置成0
    • 内核中的子进程做成这个样子
    • tss->eip就是地址为100的那条指令

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    • 现在要想在屏幕上打印A，eip&esp这些栈的指针以及执行的地址都写到子进程里面，当子进程再开始调度的时候，屏幕上就会出现A了
    • 所以如果在程序内核当中做出这种结构体，栈也有空间存放，eip指向的就是print(A)的代码，这样就不愁屏幕上打印不出A了
    • 所以写代码的目的就是如此

    1.5 返回

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    • 执行完copy_process，父进程就要往回返了，父进程退回，进行调度，因为调度才能让屏幕打印出A来（就是让那个打印A的语句去执行）
    • system_call中，从call_sys_call_table返回后，会判断当前进程/线程是否阻塞，如果阻塞，就要调用reschedule
    • 之前还提到过，需要判断是否时间片已经用完，下面的代码中没有写
    • 现在是打印指令可以执行，但是不能执行，真正执行还得是在适当地方加上schedule
    • 此处返回是哪里做的？是在中断返回的时候加上schedule
    • 现在fork()并不调用schedule，因为时间片没有用完

    1.6 再次调用fork()

    • 因为上文只创建好了打印A的进程，所以还得创建打印B的进程
    • 再一次fork()，创建输出B的进程，下图中，主进程AB、子进程A、子进程B形成了一个就绪队列

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    • 所以要想在屏幕上打印出AB两个字母，就必须在内核当中做出两套结构
    • 又一次会产生PCB和栈
    • 两个结果非常相似

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    • 创建好两个打印进程之后，就该等待了wait()，所以父进程调用wait()
    • 这个系统调用就是把自己的状态变为阻塞，然后调用schedule()

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    • 现在schedule可以做最简单的实现：选择队首的就绪线程/进程
    • 由一个进程产生出打印A和打印B的两个子进程，子进程PCB分别贴好，贴的对应的就是打印A，B的函数，然后父进程阻塞调用schedule()，然后选择其中一个进程，选择第一个就行（打印A），就完成了切换
    • 打印A后要打印B就要进行切换

    1.7 switch_to切换

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    • 选择了一个进程后（选择了A)，调用switch_to进行切换，使用TSS方案

      • 将当前CPU的现场信息保存到AB的TSS中
      • 将A的TSS中的信息恢复到CPU现场

    • A开始执行，不断的打印A

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    • 如图，eip = 100就继续往下执行，res返回的是0，所以不断的printf("A")
    • A不会进入阻塞，也没有主动释放CPU控制权，那怎么样才可以调度切换为B呢？
    • 什么时候调用schedule()呢？
    • 出时钟中断的慨念

    1.8 调用schedule()

    • 需要调度，才能打出B
    • 调度点在哪里？
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    • current是当前进程的PCB，current->counter是当前进程的剩余时间片
    • 每次时钟中断，都上当前进程的current->counter，如果减到了0，那么就调用schedule()

    疑问：一直学下来，只有在这个时钟中断的处理函数中，才会对counter–，并目立即判断了是否等于0，那么上一节视频中提到了系统调用的最后也要判断时间片是否多余？

    • 调度必须调用schedule()
    • 调用schedule()在哪里？在内核，所以必须进入到内核
    • 怎么进入内核？中断
    • 什么中断？
    • 时钟中断
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    • 时钟中断，使得当前进程的剩余时间片为0，那么就从A进程切换到B进程，B进程开始不断的输出B
    • 打一会儿A再打一会儿B，就能交替打印AB

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    • 这里是把B的PCB的tss，esp赋值成300，就对应了打印B的指令
    • 打完了B后，就完成了切换

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    • 接下来不断的时钟中断，当进程B的剩余时间片为O时，就再切换为进程A(根据调度算法的不同，当然有可能还是B本身)，以此类推，不断循环，那么屏幕上就交替的输出A和B

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    2 总结

    自己头脑写出一个代码，就完成了自己操作系统0.01

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  • 原文地址：https://blog.csdn.net/weixin_44673253/article/details/126835394