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进程基础结构
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本节导读
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本节会介绍进程的调度方式。这是本章的重点之一。
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进程的概念
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导语中提到了，进程就是运行的程序。既然是程序，那么它就需要程序执行的一切资源，包括栈、寄存器等等。不同于用户线程，用户进程有着自己独立的用户栈和内核栈。但是无论如何寄存器是只有一套的，因此进程切换时对于寄存器的保存以及恢复是我们需要关心的问题。
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为了研究进程的切换，我们先来搞懂用户进程长啥样，是如何运行的。不妨从上一节的 run_all_app 函数开始研究：
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.. code-block:: c
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int run_all_app()
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{
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for (int i = 0; i < app_num; ++i) {
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struct proc *p = allocproc();
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struct trapframe *trapframe = p->trapframe;
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load_app(i, app_info_ptr);
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uint64 entry = BASE_ADDRESS + i * MAX_APP_SIZE;
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trapframe->epc = entry;
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trapframe->sp = (uint64)p->ustack + USER_STACK_SIZE;
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p->state = RUNNABLE;
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}
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return 0;
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}
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首先介绍 struct proc 的定义。本章中新增的proc.h定义了我们OS的进程的PCB（进程管理块，和进程一一对应。它包含了进程几乎所有的信息）结构体；
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.. code-block:: C
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:linenos:
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// os/proc.h
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struct proc {
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enum procstate state; // 进程状态
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int pid; // 进程ID
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uint64 ustack; // 进程用户栈虚拟地址(用户页表)
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uint64 kstack; // 进程内核栈虚拟地址(内核页表)
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struct trapframe *trapframe; // 进程中断帧
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struct context context; // 用于保存进程内核态的寄存器信息，进程切换时使用
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};
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enum procstate {
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UNUSED, // 未初始化
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USED, // 基本初始化，未加载用户程序
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SLEEPING, // 休眠状态(未使用，留待后续拓展)
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RUNNABLE, // 可运行
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RUNNING, // 当前正在运行
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ZOMBIE, // 已经 exit
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};
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可以看到每一个进程的PCB都保存了它当前的状态以及它的PID（每个进程的PID不同）。同时记录了其用户栈和内核栈的起始地址。trapframe和context在异常中断的切换以及进程之间的切换起到了保存的重要作用。
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进程的状态是大家比较熟悉的问题了。OS课程上将进程的状态分为创建、就绪、执行、等待以及结束5大阶段（未来还会有挂起）。在我们的OS之中对状态的分类略有不同。我们一般用RUNNABLE代表就绪的进程，RUNNING代表正在执行的进程，UNUSED代表池中未分配或已经结束的进程，USED代表已经分配好但是还未加载完毕的进程。
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进程的基本管理
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在我们的OS之中，我们采用了非常朴素的进程池方式来存放进程：
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.. code-block:: C
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:linenos:
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// os/trap.c
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struct proc pool[NPROC]; // 全局进程池
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struct proc idle; // boot 进程
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struct proc* current_proc; // 指示当前进程
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// 由于还有没内存管理机制，静态分配一些进程资源
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char kstack[NPROC][PAGE_SIZE];
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__attribute__((aligned(4096))) char ustack[NPROC][PAGE_SIZE];
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__attribute__((aligned(4096))) char trapframe[NPROC][PAGE_SIZE];
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可以看到我们最多同时有 NPROC 个进程，每一个进程的用户栈、内核栈以及trapframe所需的空间已经预先分配好了。当然缺点是进程池空间有限，不过直到lab8 之前大家都无需担心这个问题。
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这里的 idle 进程是我们的 boot 进程，是我们执行初始化的进程，事实上，在引入用户进程前，idle 是唯一一个进程。比较重要的是 current_proc，它代表着当前正在执行的进程。因此这个变量在进程切换时也需要维护来保证其正确性。活用此变量能大大方便我们的编程。
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进程模块初始化函数如下:
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.. code-block:: C
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// kernel/trap.c
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void procinit()
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{
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struct proc *p;
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for(p = pool; p < &pool[NPROC]; p++) {
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p->state = UNUSED;
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p->kstack = (uint64)kstack[p - pool];
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p->ustack = (uint64)ustack[p - pool];
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p->trapframe = (struct trapframe*)trapframe[p - pool];
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}
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idle.kstack = (uint64)boot_stack_top;
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idle.pid = 0;
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}
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进程的分配
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回到 run_all_app 函数，可以注意到首每个用户进程都被分配了一个 proc 结构，通过 alloc_proc 函数。进程的分配实际上本质就是从进程池中挑选一个还未使用（状态为UNUSED）的位置分配给进程。具体代码如下:
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.. code-block:: C
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:linenos:
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// os/proc.c
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// Look in the process table for an UNUSED proc.
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// If found, initialize state required to run in the kernel.
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// If there are no free procs, or a memory allocation fails, return 0.
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struct proc *allocproc()
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{
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struct proc *p;
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for (p = pool; p < &pool[NPROC]; p++) {
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if (p->state == UNUSED) {
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goto found;
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}
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}
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return 0;
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found:
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p->pid = allocpid();
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p->state = USED;
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memset(&p->context, 0, sizeof(p->context));
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memset(p->trapframe, 0, PAGE_SIZE);
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memset((void *)p->kstack, 0, PAGE_SIZE);
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p->context.ra = (uint64)usertrapret;
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p->context.sp = p->kstack + PAGE_SIZE;
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return p;
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}
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分配进程需要初始化其PID以及清空其栈空间，并设置 context 第一次运行的入口地址 usertrapret，使得进程能够从内核的S态返回U态并执行自己的代码。我们需要看看进程切换相关的东西了。 |