10.操作系统演进过程

Posted 2022-06-06 PacosonSWJTU

【README】

1.本文内容总结自 B站 《操作系统-哈工大李治军老师》的《操作系统的那棵树》，内容非常棒，墙裂推荐；

2.思维僵化与发散

the mind is not a vessel that needs filing, but wood that needs igniting.
头脑不是需要归档的容器，而是需要点燃的木头。

3.发散思维（与各位共勉）

• 单向思维：灯丝材料出了问题，换其他材料吧；
• 发散思维：会不会是外部环境的问题，而不是灯丝本身问题。如 真空环境？ 问题的维度发生改变；

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【1】cpu运转起来

要管理cpu，就要使用cpu；
如何使用cpu？
为pc寄存器设置初值，然后cpu进行取指执行；

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【2】cpu运转效率低

cpu执行一会，就需要等待一段时间，效率低；如 操作io，cpu需要阻塞等待io响应；

• 以操作磁盘为例，cpu向磁盘控制器发送请求磁盘数据请求，磁盘磁头需要寻址到具体位置，读取数据到缓冲区，准备好数据后，磁盘控制器才会通知cpu说数据准备好了；

在 磁盘被请求到磁盘准备好数据这一段时间，cpu都只能等待阻塞，所以效率低；

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【3】 解决cpu运行效率低的问题

1）多个程序交替执行，解决cpu低效问题

• 在程序1阻塞时，cpu切换到程序2继续运行；
• 等待程序1阻塞结束后，再切换到程序1执行；

【注】本文程序指的是执行指令序列，其中执行序列可以称为线程，进程包含线程和执行资源；

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【4】多道程序交替执行的问题

从程序1跳转到程序2，结合栈来修改cpu的pc寄存器值；

当使用一个栈来实现程序切换，从程序1某条指令A切换到程序2，切换回程序1时，无法正确切换到指令A的下一条指令；

【例1】cpu使用同一个栈进行多道程序切换（交替执行）的问题；

• 程序1-函数A： 地址100的函数A在调用函数B前，把104压栈（以便返回后继续执行下一条指令，即地址104上的指令，下同），接着调用函数B；
• 程序1-函数B： 地址200的函数B执行时，调用函数yield使得当前程序让出cpu给其他程序执行，先把204 压栈，再调用函数yield ；
• 程序2-函数C： 因为程序1调用函数yield，所以cpu切换到程序2执行；调用程序2的地址300的函数C；函数C先把地址304压栈，再调用函数D；
• 程序2-函数D： 执行函数D，先把地址404压栈，在调用函数yield 使得当前程序让出cpu给其他程序执行，如程序1；

【问题】函数D调用yield后，cpu会切换到程序1执行

• cpu执行程序1的下一条指令是栈顶弹出的404地址上的指令，而不是程序1的下一条指令地址204； 这显然是不对的，因为404地址上的指令是程序2的，这就会造成程序执行终止的情况，因为整个程序状态不正确，上下文不正确；

（例1 如上图）

【解决方法】基于各自栈的多道程序切换（交替执行）方式

• 每个程序各自单独使用一个内存栈，多个交替执行的程序互不影响；
• 为了管理内存栈，操作系统引入了线程控制块tcb，tcb存储内存栈基址，栈指针等栈元素；
• 对应地，函数yield修改为： 先找到程序2的tcb2，通过tcb2找到新栈2，进而切换到新栈2；

【小结】

操作系统引入的在多道程序中，每道程序使用单独的内存栈，解决了在用户态，多道程序切换的问题；

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 【5】内核态的多道程序切换问题

【5.1】背景

1）线程会从用户态进入内核态，内核态由于内存地址空间与用户态完全隔离，所以内核态无法查看到用户态的栈，也就无法切换到其他程序（进程或线程）；

2）当内核态线程在执行过程中阻塞，cpu需要以某种方式切换到其他线程；这种方式就是 内核态的栈切换；

• 即 程序切换（进程切换或线程切换），需要切换一套栈，包括用户栈和内核栈；
• 其中用户栈在用户态的内存地址空间，内核栈在内核态的内存地址空间；

3）内核态线程切换步骤：

• Step1）用户栈1切换到内核栈1；
• Step2）通过内核栈1找到tcb1；
• Step3）tcb1切换到tcb2；
• Step4）通过tcb2找到内核栈2，并切换到内核栈2；
• Step5）内核栈2切换到用户栈2；从而完成内核态的线程切换过程；

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 【6】多道程序切换（用户态和内核态）的具体代码实现

【代码例子】

• 在屏幕上交替打印出 A和 B ；

1）业务C代码  

main() 
  if (!fork()) while(1) printf(“A”); 
  if (!fork()) while(1) printf(“B”); 
  wait();

2）业务汇编代码

main() 
	 mov __NR_fork, %eax // 系统调用编号 
	 int 0x80  // 中断，展开后调用系统调用，进入内核 
100: mov %eax, res // 子线程的eax是0，父线程非0 
     cmpl res, 0 // res 与 0 比较 
	 jne 208 // res不等于0，则跳到208 
200: printf("A") // 子线程代码 
	 jmp 200 
208: ...   // 父线程代码 
304: wait()

3）调用步骤
Step1）INT中断进入内核
Int 0x80 中断，调用 system_call

system_call: call _sys_call_table(%eax,4)

Step2）system_call 调用 sys_fork ；
Step3）sys_fork 调用 copy_process ；

sys_fork：   pushl ……   call copy_process   ret

Step4）copy_process 代码细节

• copy_process根据父线程的模样做出了子线程，包括TCB，新的内核栈；
• 把TCB中的tss都初始化好，把用户栈与内核栈关联起来，tss存储了父线程执行时的物理寄存器的值，包括eip=100（父进程当前执行指令的下一条指令的地址），esp（栈指针），eax=0；

copy_process(... long eip, ...) // 参数列表为寄存器值列表

	p = (PCB*) get_free_page();
	p->tss.esp0 = p+4k;
	p->tss.esp = esp;
	p->tss.eax = 0;
	p->tss.eip = eip;
	... 

Tss 赋值：

Tss->eip=100	父线程当前执行指令的下一条指令的地址；
Tss->esp=p+4k	根据pcb内存起始地址，偏移4k得到内核栈起始地址；
Tss->esp=esp
Tss->eax=0	子线程tss的eax元素等于0，与父线程非0区分开；

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 【6.1】父线程创建完第一个子线程后返回

1）业务C代码 

main() 
  if (!fork()) while(1) printf(“A”);  // 创建第1个子线程
  if (!fork()) while(1) printf(“B”);  // 创建第2个子线程 
  wait();

2）业务汇编代码

main() 
	 mov __NR_fork, %eax // 系统调用编号 
	 int 0x80  // 中断，展开后调用系统调用，进入内核 
100: mov %eax, res // 子线程的eax是0，父线程非0 
     cmpl res, 0 // res 与 0 比较 
	 jne 208 // res不等于0，则跳到208 
200: printf("A") // 子线程代码 
	 jmp 200 
208: ...   // 父线程代码 
304: wait()

3）父线程调用fork 创建完第1个子线程后，接着调用fork创建第2个子线程；
4）最后，父线程执行wait() 等待，让出CPU，让子线程执行；

main() 

	...... 
	wait(); 


C代码wait()函数的汇编代码：
mov __NR_wait
  int 0x80 
system_call:
	call sys_waitpid
sys_waitpid() // exit.c 文件中；
	current->state = TASK_INTERRUPTIBLE;
	schedule(); // 调度

5）schedule()调度函数的汇编代码，调用switch_to() 函数

schedule()

	if ((*p)->state == TASK_RUNNING && (*p)->counter > c) 
		c = (*p) -> counter;
		next = i; // 选择一个线程，作为切换到的目标线程 
		...
		switch_to(next); 

6）switch_to()函数

主程序运行线程A打印字符A；
但目标是交替打印A和B，而不仅仅打印A；

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【6.2】交替打印A和B（时钟中断）

1）借助时钟中断，把线程A切换到线程B；
2）时钟中断C代码：

void sched_init(void) // 在 sched.c 中 

	set_intr_gate(0x20, &timer_interrupt);


void timer_interrupt:
  ...
  call do_timer 
  
void do_timer(...)

        // 当前线程时间片计数先减去1，然后判断其值 是否大于0，若大于0则返回；  
	if ( (--current->counter > 0) ) return ; 
	current->counter = 0; 

        // 若等于或小于0 则 切换到其他线程 
	schedule(); 

【代码解说】

• 若 线程A时间片等于0，则切换到线程B打印字符B；

【补充】

• 只要为每个线程（如线程A，线程B）设置时间片初值；
• 每次调用该值都会减1；
• 减1后，若时间片值小于等于0，则切换到其他线程执行，进而实现线程交替切换，交替执行的场景，即交替打印AB；

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【小结】操作系统演进过程

• 第一阶段：  让cpu运行起来；
• 第二阶段：  多道程序交替运行，解决cpu运行低效问题；
• 第三阶段： 引入了栈切换，每道程序独享一套栈（用户栈+内核栈），切换栈（用户栈+内核栈）达到切换多道程序的目的，使得程序可以交替运行；
  • 也可以说，切换栈就是切换内核栈，因为 内核栈切换包含了 用户栈的切换；
• 第四阶段： 程序切换的触发条件有很多，本文引入了时钟中断来实现；
  • 为每个程序1设置一个时间片初始值，时钟每拨一次，时间片值减1，若值等于0，则切换到其他程序2；
  • 同样，程序2的运行也有一个上限时间片；一旦时间片等于0，则切换到其他程序3；