xv6进程切换-swtch函数

Posted 2020-12-03 itzxy

https://blog.csdn.net/Swartz2015/article/details/61615603

xv6进程切换-swtch函数

进程切换中由于需要保存当前进程的寄存器状态信息，又要将新进程记录的寄存器状态信息加载到寄存器，因此涉及到许多栈的操作，堆栈间的来回切换，容易让人眼花缭乱，难以理解。本文试图分析以下xv6中的进程切换过程。

当前进程通过调用yield函数，进行进程切换。yield函数调用sched函数，sched函数启动swtch函数完成进程切换。整个流程是这样的：

yield->sched->swtch

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在sched函数中，可以看到，当前进程总是先切换到当前cpu的scheduler切换器：

//void sched(void)
swtch(&proc->context, cpu->scheduler);

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切换器是一个死循环，该循环不断在进程表中扫描，选择一个RUNNABLE的进程调度，即从scheduler切换器转换到新选择的进程：

//scheduler切换器
void
scheduler(void)
{
  struct proc *p;

  for(;;){
    // Enable interrupts on this processor.
    sti();

    // Loop over process table looking for process to run.
    acquire(&ptable.lock);
    for(p = ptable.proc; p < &ptable.proc[NPROC]; p++){
      if(p->state != RUNNABLE)
        continue;

      // Switch to chosen process.  It is the process‘s job
      // to release ptable.lock and then reacquire it
      // before jumping back to us.
      proc = p;
      switchuvm(p);
      p->state = RUNNING;
      swtch(&cpu->scheduler, proc->context);
      switchkvm();

      // Process is done running for now.
      // It should have changed its p->state before coming back.
      proc = 0;
    }
    release(&ptable.lock);

  }
}

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显然，swtch函数是重点。swtch函数的原型是：

void swtch(struct context **old, struct context *new);

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它的工作主要包括：1. 保存当前(old)进程的上下文。 2. 加载新进程(new)的上下文到机器寄存器中。

contex中其实就是几个寄存器变量，用来保存这些寄存器的值。

swtch的函数代码如下：

# Context switch
#
#   void swtch(struct context **old, struct context *new); 
# 
# Save current register context in old
# and then load register context from new.

.globl swtch
swtch:
  movl 4(%esp), %eax
  movl 8(%esp), %edx

  # Save old callee-save registers
  pushl %ebp
  pushl %ebx
  pushl %esi
  pushl %edi

  # Switch stacks
  movl %esp, (%eax)
  movl %edx, %esp

  # Load new callee-save registers
  popl %edi
  popl %esi
  popl %ebx
  popl %ebp
  ret

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下面分析以下swtch函数的执行过程。

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swtch函数的执行过程

当任意进程调用swtch函数时，该进程的堆栈是下面这个样子的：

其中栈中每个存储区域都是4个字节。这里需要提一下，在执行指令call时，当前指令的下一条指令的地址将会push到栈中，也就是上面看到的eip，这样就可以保证在函数返回时，可以回到函数调用的下一条指令的地方。然后swtch开始执行，

movl 4(%esp), %eax
movl 8(%esp), %edx

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所以寄存器eax和edx都会指向如下图所示的位置：

接下来会依次将有关上下文信息的寄存器push到栈中

  pushl %ebp
  pushl %ebx
  pushl %esi
  pushl %edi

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push完之后，就可以堆栈布局就变成下图所示：

对比contex和当前的栈布局，可以直观看到，此时在栈上存储的刚好是一个contex。当前的栈顶esp刚好指向当前进程的contex中的第一个元素的地址，所以这里可以说contex中包括了栈信息和寄存器信息，不仅可以用它来进行栈切换，还可以通过它恢复寄存器。因此可以想到，下次重新调度这个进程时，只需要直接将栈上的信息弹到相应寄存器中就可以了。而这个栈顶指针，我们可以直接用proc->contex指针记录就可以了。即

proc->contex = esp;

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我们继续看swtch函数：

# Switch stacks
  movl %esp, (%eax)
  movl %edx, %esp

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根据注释也可以看到，这两行主要是用于栈的切换。前面我们知道，eax中存储的是指向old_proc->contex的指针，old_proc->contex是指向当前进程的contex的指针，所以movl %esp, (%eax)，相当于：

old_proc->contex = esp;

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也就是让当前进程的contex指针指向栈顶。根据前面的示意图我们可以理解原理。

到此为止，旧进程的contex保存工作已经完成了。

下面的工作自然是怎么把新进程的contex弹出到对应的寄存器中。其实保存过程和弹出恢复过程是对称的。

从保存过程中，我们知道新进程的contex信息总是可以通过new_proc->contex获得，因为new_proc->contex指向了new_proc内核栈的栈顶，而栈顶依次保存着上下文寄存器信息，所以将new_proc->contex赋值到esp就完成了堆栈切换，再依次pop就可以恢复上下文寄存器信息。但是我们怎么获得new_proc的contex呢？回到前面，我们看到，就进程在调用swtch时，就把new_proc的contex放在了堆栈中，并且根据前面edx=new_proc->contex。所以堆栈切换就是把

esp= edx；

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然后

popl %edi
popl %esi
popl %ebx
popl %ebp

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就可以依次将new_contex中保存的寄存器值依次弹回到对应寄存器中了。

最后的

ret

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指令将eip弹回。所以新进程会从它上次调用swtch函数的下一条指令开始执行。