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linux 基于时间片轮转的进程切换

时间:2019-05-29 20:43:06来源:IT技术作者:seo实验室小编阅读:80次「手机版」
 

作品转载

                          linux 基于时间片轮转的进程切换

学号:413  原创作品  转载注明出处

课程:《Linux操作系统分析》 https://github.com/mengning/linuxkernel/ 

内容:主要讲述Linux操作系统中时间片轮转调度方法中,进程切换的实现方法和切换过程的堆栈的变化

一、环境

 该博客内容来自与课堂作业, mykernel,这是一个完成多进程的简单内核,该内核基于Linux Kernel 3.9.4 ,虚拟机是实验楼http://www.shiyanlou.com/courses/195提供的虚拟机,按照其实验步骤操作

在虚拟机中打开shell

执行以下命令

cd LinuxKernel/linux-3.9.4
rm -rf mykernel
patch -p1 < ../mykernel_for_linux3.9.4sc.patch
make allnoconfig
make #编译内核请耐心等待
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

运行结果如下图所示,我们可以看到qemu窗口运行起来了:

cd mykernel,打开 mymain.c代码,和myinterrupt.c代码

从代码中可以看到该程序只是不停的打印my_start_kernel here和my_timer_handler here。

二、实现时间片轮转调度及代码分析 

我们需要在上诉的基础上,修改代码,来实现时间片轮转调度,代码可从mykernel找到,将其中的mypcb.h,myinterrupt.c和mymain.c三个文件替换实验楼中,将myinterrupt.c和mymain.c替换掉,而mypcb.h是新增文件

完成后执行下列代码

make allnoconfig
make
qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage

运行结果如下图所示

下面我们来对代码进行分析

在mypcb.h中定义了调度进程的pcb的数据结构,和thread结构,PCB中记录了操作系统所需的,用于描述进程的当前情况以及控制进程运行的全部信息。

struct Thread {
    unsigned long		ip;//当前程序执行的指令
    unsigned long		sp;//程序的堆栈的栈顶位置
};
typedef struct PCB{
    int pid;//进程id
    volatile long state;	/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped 进程可执行状态*/
    unsigned long stack[KERNEL_STACK_SIZE];//定义进程的栈
    /* cpu-specific state of this task */
    struct Thread thread;
    unsigned long	task_entry;//程序的进入地址
    struct PCB *next;//队列中的下一个等待调度的进程
}tPCB;

myinterrupt.c中

对进程pcb进行初始化,并将其链成循环链表

task[pid].pid = pid;
		task[pid].state = 0;/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
		task[pid].task_entry = task[pid].thread.ip = (unsigned long)my_process;
		task[pid].thread.sp = (unsigned long)&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 = (unsigned long)&task[i].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];
			task[i].next = task[i-1].next;
			task[i-1].next = &task[i];
		}

下面插入的汇编代码,实现了task[0]的运行,和对进程堆栈的初始化

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 */
    	: 
    	: "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)	/* input c or d mean %ecx/%edx*/
	);

先将 task[0]赋为当前正在执行的进程,将当前进程的sp赋值给esp,将当前进程的sp压栈,将当前进程ip压栈,ret指令执行将栈顶的ip出栈并跳转。

my_need_sched变量,表示进程是否要切换,若是1,则要切换,0表示不需要切换,myinterrupt.c中的my_timer_handler函数,计算时间片,若时间片达到1000个时钟,则将my_need_sched赋值为1.

void my_timer_handler(void)
{
#if 1
    if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1)
    {
        printk(KERN_notice ">>>my_timer_handler here<<<\n");
        my_need_sched = 1;
    } 
    time_count ++ ;  
#endif
    return;  	
}

myinterrupt.c中的my_schedule函数实现切换

next = my_current_task->next;
prev = my_current_task;

这两条代码将指针指向下一个进程的pcb,之后还需要对前一个进程的上下文环境进行保存

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)
    	); 

这也是嵌入的一段汇编代码,先将前一个进程的ebp压栈,然后将esp寄存器保存到的栈顶指针保存到对应进程的pcb中,将下一个要执行的进程的sp从pcb中取出放入到esp中,"movl $1f,%1\n\t"表示将下一个最近的标签为1 的地址当做ip存入上一个进程的pcb的ip中,则当该程序再次执行时是从标签为1 的位置开始执行,将下一个进程的ip压栈。此时已经完成了进程的切换。

mymain.c中的my_process表示进程的执行

void my_process(void)
{    
    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);
        }     
    }
}

该函数一直判断i是否到达10000000个单位,若没有则一直打印当前执行进程的id,否则判断my_need_sched是否为1,若是,则将其值修改为0,调用my_schedule函数进行切换。

三、总结

通过本讲的学习和实验,我们知道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。

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