HIT oslab之实验5 基于内核栈切换的进程切换（含函数调用内存模型的讲解）

清疚 2022-11-13 04:29 131阅读 0赞

# 一、实验内容 #

把Linux-0.11进程切换的方式改为**基于内核栈切换**，而不是基于TSS切换(因为太耗时)。

要实现基于内核栈的任务切换，主要完成如下**三件工作**：

*  重写 switch\_to；
 *  将重写的 switch\_to 和 schedule() 函数接在一起；
 *  修改现在的 fork()。

# 二、修改schedule函数 #

1.switch\_to()函数的2个参数  
①第1个参数：指向目标进程 PCB 的指针(即**pnext**)；  
②第2个参数：目标进程的LDT；

> 进程切换必然要涉及到 LDT 的切换

2.根据上述的“1.”，在`kernel/sched.c`完成对schedule函数的修改  
![在这里插入图片描述][20210326155047696.png]

> 注意，pnext必须赋初值

![在这里插入图片描述][20210325190555147.png]  
![在这里插入图片描述][20210326155250416.png]

> [实验指导书][Link 1]写的是LDT，但实际应该是`_LDT`，其宏定义如下所述：  
> ![在这里插入图片描述][20210326154825474.png]

# 三、实现 switch\_to #

1.在`linux/sched.h`中注释掉原有的switch\_to  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzQ3NzAwOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
2.在`kernel/sched.c`中增加对switch\_to函数的声明：  
![在这里插入图片描述][20210325201226350.png]

> `注意：`要在`kernel/system_call.s`中添加下图红框中的内容  
> ![在这里插入图片描述][20210326200258395.png]

3.在`kernel/system_call.s`中，用汇编代码来完成函数switch\_to 的编写  
(1)栈帧讲解，[参考资料1][1]和[参考资料2][2]

1)示例

int add_a_and_b(int a, int b) {
        
       return a + b;
    }
    
    int main() {
        
       return add_a_and_b(2, 3);
    }

2）内存模型：stack(栈顶是低地址)  
①执行函数时，其在stack中占有的一片区域称为**栈帧**  
②栈帧的构成

*  先保存调用函数栈帧的栈底(存在寄存器ebp中)及更新被调用函数(main函数)栈帧的栈底  
    ![在这里插入图片描述][20210325211136177.png]
 *  参数入栈  
    ![在这里插入图片描述][20210325211322488.png]
 *  返回地址入栈  
    ![在这里插入图片描述][20210325211345234.png]

> 执行add\_a\_and\_b函数之前，其下一条语句的地址(返回地址)入栈![在这里插入图片描述][20210325211515691.png]

如图所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzQ3NzAwOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

> 所画的便是main的栈帧。

③验证  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzQ3NzAwOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
![在这里插入图片描述][20210325212143491.png]

> 红框中的即返回地址，正好在参数2的下面。

(2)switch\_to的源码  
1)TSS 中内核栈指针的重写所需的准备工作  
①在`kernel/sched.c`中增添`tss`全局变量：  
![在这里插入图片描述][20210326105556495.png]  
②在`kernel/system_call.s`中增添`ESP0`的定义  
![在这里插入图片描述][20210326110119495.png]

> long占4个字节  
> ![在这里插入图片描述][20210326110346428.png]

③Linux 0.11 进程的内核栈和该进程的 PCB 在同一页内存上（一块 4KB 大小的内存），其中 PCB 位于这页内存的低地址，栈位于这页内存的高地址；

④所有进程共用1个tss，一开始当然是指向0号进程的TSS，一旦发生进程切换，就将TSS中的esp0指向目标进程的内核栈基址。

2)切换内核栈栈顶指针所需的准备工作  
①在`linux/shced.h`的task\_struct(PCB)中增加指向内核栈栈顶指针的域  
![在这里插入图片描述][20210326112458966.png]  
②修改`kernal/system_call.s`中与`kernelstack`有关的硬编码  
![在这里插入图片描述][20210326153800889.png]  
③因为修改了PCB结构定义，所以也要修改产生 0 号进程的 PCB 初始化(在`linux/sched.h`中修改)  
![在这里插入图片描述][20210326154211953.png]  
3)PC切换所需的理论知识：内核态线程切换的五段论  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzQ3NzAwOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

> 通俗理解：  
> ①线程1通过**中断**请求内核提供服务，即在内核态执行某个系统调用函数A。  
> ②系统调用函数A执行时由于等待某个事件，所以被中断处理调用**schedule**函数阻塞了，并发生线程切换。  
> ③schedule函数最后调用**switch\_to**函数完成线程切换。  
> ④switch\_to的最后一句指令ret就返回到目标进程(此时，它已经是当前进程了;也即图中的线程2)的schedule函数的末尾，遇到`}`，继续 ret回到调用schedule()地方，即回到了中断处理中，就到了中断返回的地址  
> ⑤再调用**iret**就到了线程2的用户态程序去执行

4)关于fs的一些知识  
①当系统调用发生时，`int 0x80`中断处理函数会把fs设成用户数据段选择符（0x17）  
②LDT切换完成就意味着切换了分配给进程的用户态内存地址空间，所以前一个 fs 指向的是上一个进程的用户态内存，而现在需要执行下一个进程的用户态内存，所以就需要重取fs。

5)switch\_to的源码及注释（在`kernel/system_call.s`中）

.align 2 #对齐伪指令，必须从一个能被2整除的地址开始为下面的内存变量分配空间
    switch_to:
    #这一部分的解释，看上述内存模型: stack
    	pushl %ebp
    	movl %esp,%ebp
    	pushl %ecx
    	pushl %ebx
    	pushl %eax
    	movl 8(%ebp),%ebx # 调用switch_to的第一个参数，即pnext——目标进程的PCB
    	cmpl %ebx, current #和 current 做一个比较, current指向当前进程的PCB
    	je 1f   #相等就啥也不用做，跳转到“1：”直接恢复保存的寄存器即可
    #不相等，开始进程切换
    #先切换PCB
    	movl %ebx,%eax #eax指向目标进程的PCB
    	xchgl %eax,current #current指向目标进程的PCB, eax指向当前进程的PCB
    
    #TSS中的内核指针的重写
    	movl tss,%ecx #ecx指向当前进程的TSS
    	addl $4096,%ebx #ebx指向的是目标进程的PCB，+4096后指向目标进程的内核栈
    	movl %ebx,ESP0(%ecx) #TSS的esp0指向目标进程的内核栈
    
    #切换内核栈栈顶指针（切换当前的内核栈为目标内核栈）；当然要先保存被切换进程的esp
    	movl %esp, KERNEL_STACK(%eax) #把当前进程的esp保存到其PCB中
    	movl 8(%ebp),%ebx #再一次把目标进程的PCB存储到ebx中
    	movl KERNEL_STACK(%ebx),%esp #把目标进程PCB中的内核栈基址存储到esp中
    
    #切换LDT
    	movl 12(%ebp),%ecx #把_LDT(next)存储到ecx中
    	lldt %cx #修改LDTR寄存器后，目标进程在执行用户态程序时使用的映射表就是自己的LDT表，实现了地址空间的分离。
    
    #通过ret完成PC的切换
    
    #切换LDT之后，更新fs，指向目标进程的用户态内存
    	movl $0x17,%ecx  #用户空间数据段选择符为0x17
    	mov %cx,%fs 
    
    #和后面的clts配合来处理协处理器，由于和主题关系不大，此处不做论述
    	cmpl %eax, last_task_used_math
    	jne 1f
    	clts
    1:
    	popl %eax
    	popl %ebx
    	popl %ecx
    	popl %ebp
    ret

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzQ3NzAwOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

# 四、修改fork #

准确说是修改`kernel/fork.c`中的`copy_process`函数

1.子进程内核栈概览  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzQ3NzAwOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
(1)switch\_to完成内核栈指针切换后，esp的指向应该如上图所示  
![在这里插入图片描述][20210326190925333.png]  
(2)从下往上填写子进程的内核栈  
①按照下图的popl顺序可知，从下到上依次填入eax, ebx, ecx, ebp；  
ret指令将此时esp指向的内容赋值给eip，即跳转到first\_return\_from\_kernel去执行。  
![在这里插入图片描述][20210326191118646.png]  
②first\_return\_from\_kernel是一段汇编程序（在`kernel/system_call.s`中），按照①的逻辑填写子进程的内核栈  
![在这里插入图片描述][20210326191405151.png]

> 为了在`kernel/fork.c`的`copy_process`中使用这段汇编程序，还需要该文件中添加：  
> ![在这里插入图片描述][20210326191633191.png]  
> `注意：`要在`kernel/system_call.s`中添加下图红框中的内容  
> ![在这里插入图片描述][20210326200258395.png]  
> 2.copy\_process函数的修改情况  
> ①填写子进程的内核栈  
> ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzQ3NzAwOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

②把TSS相关的所有语句注释掉  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzQ3NzAwOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]  
3.copy\_process的源码

int copy_process(int nr,long ebp,long edi,long esi,long gs,long none,
    		long ebx,long ecx,long edx,
    		long fs,long es,long ds,
    		long eip,long cs,long eflags,long esp,long ss)
    {
        
    	struct task_struct *p;
    	int i;
    	struct file *f;
    
    	long *krnstack;
    
    	p = (struct task_struct *) get_free_page();
    	if (!p)
    		return -EAGAIN;
    	
    	//子进程内核栈的位置，准确说是内核栈基址上面
    	krnstack = (long *)(PAGE_SIZE + (long)p);
    
    	//设置子进程内核栈
    	*(--krnstack) = ss & 0xffff;  //--krnstack这才是内核栈基址!
    	*(--krnstack) = esp; //先递减指向内核栈一个空位置
    	*(--krnstack) = eflags;
    	*(--krnstack) = cs & 0xffff;
    	*(--krnstack) = eip;
    
    	//存入first_return_from_kernel要弹栈的寄存器们
    	*(--krnstack) = ds & 0xffff;
    	*(--krnstack) = es & 0xffff;
    	*(--krnstack) = fs & 0xffff; 
    	*(--krnstack) = gs & 0xffff;
    	*(--krnstack) = esi;
    	*(--krnstack) = edi;		
    	*(--krnstack) = edx;
    			
    	*(--krnstack) = (long)first_return_from_kernel; //返回地址，first_return_from_kernel是汇编标号
    			
    	//swtich_to中，当完成切换内核栈后，在ret之前，要popl4个寄存器，所以此刻要先初始化这4个寄存器
    	*(--krnstack) = ebp;
    	*(--krnstack) = ecx;
    	*(--krnstack) = ebx;
    	*(--krnstack) = 0;     //fork返回2个值，子进程返回0，存到eax中。
    
    	task[nr] = p;
    	*p = *current;	/* NOTE! this doesn't copy the supervisor stack */
    	
    	p->kernelstack = krnstack; 
    	
    	p->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE;
    	p->pid = last_pid;
    	p->father = current->pid;
    	p->counter = p->priority;
    	p->signal = 0;
    	p->alarm = 0;
    	p->leader = 0;		/* process leadership doesn't inherit */
    	p->utime = p->stime = 0;
    	p->cutime = p->cstime = 0;
    	p->start_time = jiffies;  //由于要记录新建时的滴答数，那么找到jiffies(滴答数)，就找到了新建进程的代码点。
    	fprintk(3, "%d\tN\t%ld\n", p->pid, jiffies);
    	/*修改TSS中的内容被全部注释掉了
    	p->tss.back_link = 0;
    	p->tss.esp0 = PAGE_SIZE + (long) p;
    	p->tss.ss0 = 0x10;
    	p->tss.eip = eip;
    	p->tss.eflags = eflags;
    	p->tss.eax = 0;
    	p->tss.ecx = ecx;
    	p->tss.edx = edx;
    	p->tss.ebx = ebx;
    	p->tss.esp = esp;
    	p->tss.ebp = ebp;
    	p->tss.esi = esi;
    	p->tss.edi = edi;
    	p->tss.es = es & 0xffff;
    	p->tss.cs = cs & 0xffff;
    	p->tss.ss = ss & 0xffff;
    	p->tss.ds = ds & 0xffff;
    	p->tss.fs = fs & 0xffff;
    	p->tss.gs = gs & 0xffff;
    	p->tss.ldt = _LDT(nr);
    	p->tss.trace_bitmap = 0x80000000;
    	if (last_task_used_math == current)
    		__asm__("clts ; fnsave %0"::"m" (p->tss.i387));
    	*/
    	if (copy_mem(nr,p)) {
        
    		task[nr] = NULL;
    		free_page((long) p);
    		return -EAGAIN;
    	}
    	for (i=0; i<NR_OPEN;i++)
    		if ((f=p->filp[i]))
    			f->f_count++;
    	if (current->pwd)
    		current->pwd->i_count++;
    	if (current->root)
    		current->root->i_count++;
    	if (current->executable)
    		current->executable->i_count++;
    	set_tss_desc(gdt+(nr<<1)+FIRST_TSS_ENTRY,&(p->tss));
    	set_ldt_desc(gdt+(nr<<1)+FIRST_LDT_ENTRY,&(p->ldt));
    	p->state = TASK_RUNNING;	/* do this last, just in case */
    	fprintk(3, "%d\tJ\t%ld\n", p->pid, jiffies);
    	return last_pid; //父进程中的返回值
    }

# 五、验证 #

0.make all报错  
![在这里插入图片描述][20210326200009957.png]

> 解决办法：  
> ![在这里插入图片描述][20210326200258395.png]

1.运行实验4中的process.c。  
![在这里插入图片描述][20210326200639165.png]

> 至此，顺利实现基于内核栈切换的进程切换，撒花！

2.问题：为什么process.log的内容为空？？？

# 六、参考资料 #

1.[HIT oslab之实验5][HIT oslab_5]

[20210326155047696.png]: /images/20221022/ba100d02f4174880aecb0497f94d2f82.png
[20210325190555147.png]: /images/20221022/661f0ffdb8ab49aebb2db8abb3371c31.png
[20210326155250416.png]: /images/20221022/82910f1feaf94cf788e5a02650e4aa7d.png
[Link 1]: https://www.lanqiao.cn/courses/115/learning/?id=571
[20210326154825474.png]: /images/20221022/4b076fd55fb1415a9a9cadb125870eb5.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzQ3NzAwOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221022/e715685015214f889bfee2d14aadb988.png
[20210325201226350.png]: /images/20221022/01547d925334466c9dbc4511c884c256.png
[20210326200258395.png]: /images/20221022/0819a1e8559545fda586e4dae4306119.png
[1]: https://www.ruanyifeng.com/blog/2018/01/assembly-language-primer.html
[2]: https://blog.csdn.net/ATFWUS/article/details/104536028
[20210325211136177.png]: /images/20221022/561a0a7baecd42faa4c045611e3d464e.png
[20210325211322488.png]: /images/20221022/4df2fd56450f4d7a9c4c0552947e2131.png
[20210325211345234.png]: /images/20221022/f8fac6a075c2489894775ab60a06c573.png
[20210325211515691.png]: /images/20221022/c9c30d68fa8c400fb30b342a3ed0f8ba.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzQ3NzAwOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20221022/37d9ef952b8545f8899cd30733a74076.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzQ3NzAwOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20221022/20800b3fb31c439a9a71b7cbadacb728.png
[20210325212143491.png]: /images/20221022/a3b89b8b1baa47bc928beb49d8dafeed.png
[20210326105556495.png]: /images/20221022/6bd3752b8ed64519b3a59eee55f015f6.png
[20210326110119495.png]: /images/20221022/cdb6d5bda0c547f5a6d859a08b0bbcf1.png
[20210326110346428.png]: /images/20221022/57290bf6736f4da0b8e31fb04613644e.png
[20210326112458966.png]: /images/20221022/4dbe79fb05614df1a02d67459a5211d4.png
[20210326153800889.png]: /images/20221022/a1a8c958615d478e908554a546f9cd6c.png
[20210326154211953.png]: /images/20221022/306198f29f6b456fa6371ab73ae01a49.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzQ3NzAwOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: /images/20221022/d56ff90388814aaf87b70a58c75fffad.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzQ3NzAwOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]: /images/20221022/2e7d94231e214eeeaa5a2c7b66d83d94.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNzQ3NzAwOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]: /images/20221022/667d4072c8c74f238ef044a0af2c6dc1.png
[20210326190925333.png]: /images/20221022/107942f7556c45fca5a469d776a3a79d.png
[20210326191118646.png]: /images/20221022/29e50e923abb4ce9ba7e4d74477a1515.png
[20210326191405151.png]: /images/20221022/adcdbea8f01d4c579568136491d2d325.png
[20210326191633191.png]: /images/20221022/154b68f0deed4fdaa193bc61ee499993.png
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[HIT oslab_5]: https://github.com/iLoveTangY/hit-oslab/blob/master/lab_5.md