Linux内核分析实验二

Posted 2022-11-28 YoungX0701

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刘旸 + 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

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       操作系统（Operating System，简称OS）是管理和控制计算机硬件与软件资源的计算机程序。操作系统在进行进程管理时通常采用分时的概念，将计算机的系统资源（尤其是 CPU时间）进行时间上的分割，每个时间段称为一个时间片。操作系统以时间片为单位，轮流为每个进程服务。时间片轮转的方式使得多个进程能在同一台计算机同时运行。

       下面我们通过实验来模拟一个小型的操作系统，理解它采用时间片分配来进行进程管理的过程。

       1. 在实验楼的虚拟机中打开终端，输入以下命令：

           cd LinuxKernel/linux-3.9.4

           qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

 

           mykernel启动后效果如下：

 

           不难看出该程序是在模拟一个操作系统，不断地打印指定的信息。

       2.打开LinuxKernel/linux-3.9.4/mykernel文件夹，找到并打开mymain.c和myinterrupt.c

 

       3.可以看到在mymain.c中有一个_initmy_start_kernel函数，我们在运行mykernel之后见到的一部分信息——“my_start_kernel here”就是由这个函数中的循环打印的。再观察myinterrupt.c文件，其中有一个名为my_timer_handler的函数，会周期性地被中断调用，从而输出另一部分信息“>>>my_timer_handler here <<<”。

 

       到这里我们可以得出一个结论，mykernel启动之后将会做两件事：

        1) 调用my_start_kernel函数

        2) 周期性调用my_timer_handler函数

       因此只要通过编写这两个函数，完成进程的初始化和进程的时间片轮转调度，就可以写出一个简单的操作系统了。下面我们就来研究分析一个简单的时间片轮转多道程序。

        4.从https://github.com/mengning/mykernel获取实验用的源代码，主要是下面的三个文件：mypcb.h，myinterrupt.c和mymain.c。用下载的后两个文件的内容取代实验楼虚拟机的mykernel文件夹下相应同名文件的内容，然后在mykernel文件夹下自行新建一个mypcb.h文件，将下载的mypcb.h的内容拷贝进去并保存。

 

        5.打开终端定位到LinuxKernel/linux-3.9.4，并执行以下命令：

           make allnoconfig

           make

           qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

           此时mykernel的运行效果如下：

 

           可以看到隔一段时间后，系统会自动运行下一个进程。

 

代码分析：

首先我们来看mypcb.h：

/*
 * linux/mykernel/mypcb.h
 *
 * Kernel internal PCB types
 *
 * Copyright (C) 2013  Mengning
 *
 */ 
 
#define MAX_TASK_NUM        4 
#define KERNEL_STACK_SIZE   1024*8 
 
/* CPU-specific state of this task */ 
struct Thread  
   unsigned long       ip; 
   unsigned long       sp; 
; 
 
typedef struct PCB 
   int pid; 
   volatile long state;    /* -1unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */ 
   char stack[KERNEL_STACK_SIZE]; 
   /* CPU-specific state of this task */ 
   struct Thread thread; 
   unsigned long   task_entry; 
   struct PCB *next; 
tPCB; 
 
void my_schedule(void);

        该头文件：

        1) 定义了Thread结构体，其中，ip、sp分别代表ip寄存器和sp寄存器，用于存储现场。

        2) 定义了PCB结构体，其中pid为进程的进程号，state为进程状态，stack为分配给进程的栈空间，thread为线程信息，task_entry为进程的入口函数，next指针指向下一个PCB。

        3) 声明了my_schedule函数。其具体实现会放在my_interrupt.c中分析。mymain.c中的各个进程函数会根据一个全局变量的状态来决定是否调用它，从而实现主动调度。

 

 接下来我们继续分析mymain.c

/*
 * linux/mykernel/mymain.c
 *
 * Kernel internal my_start_kernel
 *
 * Copyright (C) 2013  Mengning
 *
 */ 
#include <linux/types.h> 
#include <linux/string.h> 
#include <linux/ctype.h> 
#include <linux/tty.h> 
#include <linux/vmalloc.h> 
 
 
#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; 
   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 = (unsignedlong)my_process; 
   task[pid].thread.sp = (unsignedlong)&task[pid].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1]; 
   task[pid].next = &task[pid]; 
   /*fork more process */ 
   for(i=1;i<MAX_TASK_NUM;i++) 
    
       memcpy(&task[i],&task[0],sizeof(tPCB)); 
       task[i].pid = i; 
       task[i].state = -1; 
       task[i].thread.sp = (unsignedlong)&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; 
   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 */ 
       "pushl %0\\n\\t"         /* push task[pid].thread.ip */ 
       "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 dmean %ecx/%edx*/ 
   ); 
    
void my_process(void) 
 
   int i = 0; 
   while(1) 
    
       i++; 
       if(i%10000000 == 0) 
        
           printk(KERN_NOTICE "this is process %d-\\n",my_current_task->pid); 
           if(my_need_sched == 1) 
            
                my_need_sched = 0; 
                my_schedule(); 
            
           printk(KERN_NOTICE "this is process %d+\\n",my_current_task->pid); 
             
    
 

       系统启动后，函数 my_start_kernel首先被调用，它完成了0号进程的初始化和启动，其中启动过程采用内联汇编代码完成。然后创建好其它进程的PCB，用于后面的进程调度。

       而my_process 函数即是每个进程的函数代码（实际中可能不一样，但在该模拟系统中认为都一样），该函数会打印出当前进程的pid，以显示当前哪个进程正在执行。同时，my_process还负责检查一个全局标志变量 my_need_sched，一旦发现其值为 1 ，就调用 my_schedule 完成进程的调度。

 

最后我们来看负责执行中断的myinterrupt.c文件：

/*
 * linux/mykernel/myinterrupt.c
 *
 * Kernel internal my_timer_handler
 *
 * Copyright (C) 2013  Mengning
 *
 */ 
#include <linux/types.h> 
#include <linux/string.h> 
#include <linux/ctype.h> 
#include <linux/tty.h> 
#include <linux/vmalloc.h> 
 
#include "mypcb.h" 
 
extern tPCB task[MAX_TASK_NUM]; 
extern tPCB * my_current_task; 
extern volatile int my_need_sched; 
volatile int time_count = 0; 
 
/*
 *Called by timer interrupt.
 * itruns in the name of current running process,
 * soit use kernel stack of current running process
 */ 
void my_timer_handler(void) 
 
#if 1 
   if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1) 
    
       printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handlerhere<<<\\n"); 
       my_need_sched = 1; 
     
   time_count ++ ;   
#endif 
   return;      
 
 
void my_schedule(void) 
 
    tPCB * next; 
   tPCB * prev; 
 
   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*/ 
    
       /* 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 
    
       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;  
 

       之前已经了解到，my_timer_handler 函数会被内核周期性的调用，每调用1000次，就将全局变量my_need_sched的值置为1，并通知正在运行的进程执行在mypcb.h中声明的my_schedule函数。

       my_schedule函数负责完成进程的切换。切换分两种情况：一种情况是下一个进程没有被调度过，那么就直接启动该进程即可；另外一种情况是下一个进程被调度过，那么就需要从上次该进程被中断的地方继续运行。这就需要先通过查看下一个进程的state变量获得其状态，再根据其状态进行相应的处理。进程切换依然是通过内联汇编代码实现，即保存旧进程的eip和堆栈，将新进程的eip和堆栈的值存入对应的寄存器中。

 

 

       通过以上实验我们可以看出，操作系统的核心功能就是进程调度和中断机制，通过与硬件的配合实现多任务处理，再加上上层应用软件的支持，最终变成可以使用户可以很容易操作的计算机系统。