一个新进程的诞生(四)从一次定时器滴答来看进程调度

低并发编程

共 4226字,需浏览 9分钟

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2022-03-01 19:37




本系列作为 你管这破玩意叫操作系统源码 的第三大部分,讲述了操作系统第一个进程从无到有的诞生过程,这一部分你将看到内核态与用户态的转换、进程调度的上帝视角、系统调用的全链路、fork 函数的深度剖析。


不要听到这些陌生的名词就害怕,跟着我一点一点了解他们的全貌,你会发现,这些概念竟然如此活灵活现,如此顺其自然且合理地出现在操作系统的启动过程中。


本篇章作为一个全新的篇章,需要前置篇章的知识体系支撑。


第一部分 进入内核前的苦力活

第二部分 大战前期的初始化工作


当然,没读过的也问题不大,我都会在文章里做说明,如果你觉得有困惑,就去我告诉你的相应章节回顾就好了,放宽心。



------- 第三部分目录 -------



(一)先整体看一下
(二)从内核态到用户态
(三)如果让你来设计进程调度



------- 正文开始 -------



书接上回,上回书咱们说到,我们完全由自己从零到有设计出了进程调度的大体流程,以及它需要的数据结构。

struct task_struct {
    long state;
    long counter;
    long priority;
    ...
    struct tss_struct tss;
}

这一讲,我们从一次定时器滴答出发,看看一次 Linux 0.11 的进程调度的全过程。

 

Let's Go!

 

还记得我们在 第18回 | 大名鼎鼎的进程调度就是从这里开始的 sched_init 的时候,开启了定时器吧?这个定时器每隔一段时间就会向 CPU 发起一个中断信号。

 

 

这个间隔时间被设置为 10 ms,也就是 100 Hz。

schedule.c

#define HZ 100

发起的中断叫时钟中断,其中断向量号被设置为了 0x20

 

还记得我们在 sched_init 里设置的时钟中断和对应的中断处理函数吧?

schedule.c
set_intr_gate(0x20, &timer_interrupt)
;

这样,当时钟中断,也就是 0x20 号中断来临时,CPU 会查找中断向量表中 0x20 处的函数地址,即中断处理函数,并跳转过去执行。

 

这个中断处理函数就是 timer_interrupt,是用汇编语言写的。

system_call.s

_timer_interrupt:
    ...
    // 增加系统滴答数
    incl _jiffies
    ...
    // 调用函数 do_timer
    call _do_timer
    ...

这个函数做了两件事,一个是将系统滴答数这个变量 jiffies 加一,一个是调用了另一个函数 do_timer

sched.c

void do_timer(long cpl) 
{
    ...
    // 当前线程还有剩余时间片,直接返回
    if ((--current->counter)>0return;
    // 若没有剩余时间片,调度
    schedule();
}

do_timer 最重要的部分就是上面这段代码,非常简单。

 

首先将当先进程的时间片 -1,然后判断:


如果时间片仍然大于零,则什么都不做直接返回。


如果时间片已经为零,则调用 schedule(),很明显,这就是进行进程调度的主干。

void schedule(void) {
    int i, next, c;
    struct task_struct ** p;
    ...
    while (1) {
        c = -1;
        next = 0;
        i = NR_TASKS;
        p = &task[NR_TASKS];
        while (--i) {
            if (!*--p)
                continue;
            if ((*p)->state == TASK_RUNNING && (*p)->counter > c)
                c = (*p)->counter, next = i;
        }
        if (c) break;
        for(p = &LAST_TASK ; p > &FIRST_TASK ; --p)
            if (*p)
                (*p)->counter = ((*p)->counter >> 1) +
                        (*p)->priority;
    }
    switch_to(next);
}

别看这么一大坨,我做个不严谨的简化,你就明白了

void schedule(void) {
    int next = get_max_counter_and_runnable_thread();
    refresh_all_thread_counter();
    switch_to(next);
}

看到没,就剩这么点了。


很简答,这个函数就做了三件事:


1. 拿到剩余时间片(counter的值)最大且在 runnable 状态(state = 0)的进程号 next。



2. 如果所有 runnable 进程时间片都为 0,则将所有进程(注意不仅仅是 runnable 的进程)的 counter 重新赋值(counter = counter/2 + priority),然后再次执行步骤 1。


3. 最后拿到了一个进程号 next,调用了 switch_to(next) 这个方法,就切换到了这个进程去执行了。

 

看 switch_to 方法,是用内联汇编语句写的。

sched.h

#define switch_to(n) {\
struct {long a,b;} __tmp; \
__asm__("cmpl %%ecx,_current\n\t" \
    "je 1f\n\t" \
    "movw %%dx,%1\n\t" \
    "xchgl %%ecx,_current\n\t" \
    "ljmp %0\n\t" \
    "cmpl %%ecx,_last_task_used_math\n\t" \
    "jne 1f\n\t" \
    "clts\n" \
    "1:" \
    ::"m" (*&__tmp.a),"m" (*&__tmp.b), \
    "d" (_TSS(n)),"c" ((long) task[n])); \
}

这段话就是进程切换的最最最最底层的代码了。

 

看不懂没关系,其实主要就干了一件事,就是 ljmp 到新进程的 tss 段处。

 

啥意思?


CPU 规定,如果 ljmp 指令后面跟的是一个 tss 段,那么,会由硬件将当前各个寄存器的值保存在当前进程的 tss 中,并将新进程的 tss 信息加载到各个寄存器。

 

上图来源于《Linux内核完全注释V5.0》

 

这个图在完全注释这本书里里画的非常清晰,我就不重复造轮子了。


简单说就是,保存当前进程上下文,恢复下一个进程的上下文,跳过去

 

看,不知不觉,我们上一讲和本讲开头提到的那些进程数据结构的字段,就都用上了。

struct task_struct {
    long state;
    long counter;
    long priority;
    ...
    struct tss_struct tss;
}

至此,我们梳理完了一个进程切换的整条链路,来回顾一下。



----- 流水账开始 -----

 


罪魁祸首的,就是那个每 10ms 触发一次的定时器滴答。


而这个滴答将会给 CPU 产生一个时钟中断信号。


而这个中断信号会使 CPU 查找中断向量表,找到操作系统写好的一个时钟中断处理函数 do_timer。


do_timer 会首先将当前进程的 counter 变量 -1,如果 counter 此时仍然大于 0,则就此结束。


但如果 counter = 0 了,就开始进行进程的调度。


进程调度就是找到所有处于 RUNNABLE 状态的进程,并找到一个 counter 值最大的进程,把它丢进 switch_to 函数的入参里。


switch_to 这个终极函数,会保存当前进程上下文,恢复要跳转到的这个进程的上下文,同时使得 CPU 跳转到这个进程的偏移地址处。


接着,这个进程就舒舒服服地运行了起来,等待着下一次时钟中断的来临。



----- 流水账结束 -----


 

好了,这两回我们自己设计了一遍进程调度,又看了一次 Linux 0.11 的进程调度的全过程。有了这两回做铺垫,我们下一回就该非常自信地回到我们的主流程,开始看我们心心念念的 fork 函数!

void main(void) {
    ...    
    move_to_user_mode();
    if (!fork()) {
        init();
    }
    for(;;) pause();
}

欲知后事如何,且听下回分解。



------- 关于本系列的完整内容 -------



本系列的开篇词看这

闪客新系列!你管这破玩意叫操作系统源码


本系列的扩展资料看这(也可点击阅读原文),这里有很多有趣的资料、答疑、互动参与项目,持续更新中,希望有你的参与。

https://github.com/sunym1993/flash-linux0.11-talk


本系列全局视角



最后,祝大家都能追更到系列结束,只要你敢持续追更,并且把每一回的内容搞懂,我就敢让你在系列结束后说一句,我对 Linux 0.11 很熟悉。


公众号更新系列文章不易,阅读量越来越低,希望大家多多传播,不方便的话点个小小的在看我也会很开心,我相信星火燎原的力量,谢谢大家咯。


另外,本系列完全免费,希望大家能多多传播给同样喜欢的人,同时给我的 GitHub 项目点个 star,就在阅读原文,这些就足够让我坚持写下去了!我们下回见。

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