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news2024/12/25 13:52:15

大家好，我叫徐锦桐，个人博客地址为www.xujintong.com。平时记录一下学习计算机过程中获取的知识，还有日常折腾的经验，欢迎大家来访。

这里记录了，手写操作系统项目中关于进程的部分。

进程四要素

首先进程有四要素。

  • 有一段程序代其执行
  • 有进程专用的系统堆栈空间
  • 在内核有task_struct数据结构
  • 进程有独立的存储空间，拥有专有的用户空间

如果具备前三条缺少第四条，那就称为线程。如果完全没有用户空间，就称为 内核线程 。如果共享用户空间就称为用户线程。

进程初始化

手写操作系统项目的进程初始化的源代码如下：

```cpp
/**
 * @brief 初始化任务
 */
int task_init (task_t * task, const char * name, int flag ,uint32_t entry, uint32_t esp) {
    ASSERT(task != (task_t *)0);

    int err = tss_init(task, flag, entry, esp);
    if (err < 0) {
        log_printf("init task failed.\n");
        return err;
    }

    // 任务字段初始化
    kernel_strncpy(task->name, name, TASK_NAME_SIZE);
    task->state = TASK_CREATED;
    task->sleep_ticks = 0;
    task->parent = (task_t *)0;
    task->heap_start = 0;
    task->heap_end = 0;
    task->time_ticks = TASK_TIME_SLICE_DEFAULT;
    task->slice_ticks = task->time_ticks;
    task->state = 0;
    list_node_init(&task->all_node);
    list_node_init(&task->run_node);
    list_node_init(&task->wait_node);

    // 文件相关
    kernel_memset(task->file_table, 0, sizeof(task->file_table));

    // 插入就绪队列中和所有的任务队列中
    irq_state_t state = irq_enter_protection();
    task->pid = (uint32_t)task;
    list_insert_last(&task_manager.task_list, &task->all_node);
    irq_leave_protection(state);
    
    return 0;
}

接下来，我为你讲解这个进程初始化函数的各个部分。

初始化TSS

TSS前置知识

TSS是x86系统上的一个结构，保存了当前任务的状态信息，比如运行到了哪，当前任务的寄存器，CPU用来进行任务调度。
当进行任务切换的时候，就把TSS取出来然后恢复要切换的任务的状态。TR寄存器中存储着当前运行进程的TSS结构。进程的task_struct结构中存储着该进程的tss结构，源码如下：

typedef struct _task_t {
    ...
    
    tss_t tss;                  // 任务的TSS段
    int tss_sel;                // tss选择子
}task_t;

TSS过程.webp


下面是TSS的具体结构，具体的各个结构内容我们就不过多叙述了，如果真想要了解各个位所代表的是什么，大家可以看IA-32手册。
TSS结构.webp


注： TSS是x86系统的特性，在当前64位操作系统已经被抛弃。

项目中TSS初始化

我们的项目中并没有用到这么多的，只用到了一部分。具体项目源码如下：

/**
 * tss描述符
 */
typedef struct _tss_t {
    uint32_t pre_link;  // 没用到
    uint32_t esp0, ss0, esp1, ss1, esp2, ss2;
    uint32_t cr3;
    uint32_t eip, eflags, eax, ecx, edx, ebx, esp, ebp, esi, edi;
    uint32_t es, cs, ss, ds, fs, gs;
    uint32_t idt;   // 没用到
    uint32_t iomap;     // 没用到
}tss_t;

首先给出项目中tss初始化的源码。

static int tss_init (task_t * task, int flag ,uint32_t entry, uint32_t esp) {
    // 为TSS分配GDT
    int tss_sel = gdt_alloc_desc();
    if (tss_sel < 0) {
        log_printf("alloc tss failed.\n");
        return -1;
    }

    segment_desc_set(tss_sel, (uint32_t)&task->tss, sizeof(tss_t),
        SEG_P_PRESENT | SEG_DPL0 | SEG_TYPE_TSS
    );
    
    
    // tss段初始化
    kernel_memset(&task->tss, 0, sizeof(tss_t));

    // 分配内核栈，得到的是物理地址
    uint32_t kernel_stack = memory_alloc_page();   // 分配一页内存    用于中断、系统异常、系统调用
    if (kernel_stack == 0) {
        goto tss_init_failed;
    }


    // 根据不同的权限选择不同的访问选择子
    int code_sel, data_sel;
    if (flag & TASK_FLAGS_SYSTEM) {
        code_sel = KERNEL_SELECTOR_CS;
        data_sel = KERNEL_SELECTOR_DS;
    } else {
        // 注意加了RP3,不然将产生段保护错误
        code_sel = task_manager.app_code_sel | SEG_CPL3;
        data_sel = task_manager.app_data_sel | SEG_CPL3;
    }
    
    task->tss.eip = entry;
    task->tss.esp = esp ? esp : kernel_stack + MEM_PAGE_SIZE;
    task->tss.esp0 = kernel_stack + MEM_PAGE_SIZE;
    // task->tss.ss = data_sel;
    task->tss.ss0 = KERNEL_SELECTOR_DS;
     task->tss.eip = entry;
    task->tss.es = task->tss.ds = task->tss.ss = task->tss.fs = task->tss.gs = data_sel;    // 全部采用同一数据段s
    task->tss.cs = code_sel;
    task->tss.eflags = EFLGAGS_IF | EFLGAGS_DEFAULT;
    task->tss.iomap = 0;
    
    // 页表初始化
    uint32_t page_dir = memory_create_uvm();
    if (page_dir == 0) {
        goto tss_init_failed;
    }
    task->tss.cr3 = page_dir;
    
    task->tss_sel = tss_sel;
    return 0;
tss_init_failed:
    // 如果创建页表失败
    gdt_free_sel(tss_sel);
    if (kernel_stack) {
        memory_free_page(kernel_stack);
    }
    return -1;
}

首先通过int tss_sel = gdt_alloc_desc()代码分配一个GDT（GDT表是从第一项开始的，第0项不分配）。gdt_alloc_desc()源码如下：

/**
 * 分配一个GDT推荐表符
 */
int gdt_alloc_desc() {
    mutex_lock(&mutex);
    // 跳过第0项
    for (int i = 1; i < GDT_TABLE_SIZE; i ++ ) {
        segment_desc_t * desc = gdt_table + i;
        if (desc->attr == 0) {
            mutex_unlock(&mutex);
            return i * sizeof(segment_desc_t);
        }
    }
    mutex_unlock(&mutex);
    return -1;
}

可以看到就是遍历一下GDT表，看哪个表项没有被分出去，然后分配给当前TSS。

初始化task_struct结构

操作系统为每个进程分配一个task_struct结构，用以描述该进程，也就相当于一个进程的简历，写了进程的信息，进程的状态、父进程、进程的pid，进程的名字等等。

/**
 * @brief 任务控制块结构
 */
typedef struct _task_t {
    // uint32_t * stack;
    // 这是个枚举数据类型，递增的宏定义，默认第一个为0，每次加1.
    enum {
        TASK_CREATED,
        TASK_RUNNING,
        TASK_SLEEP,
        TASK_READY,
        TASK_WAITTING,   // 等待时间
        TASK_ZOMBIE,    // 将死状态
    }state;

    int pid;                        // 进程的pid
    struct _task_t * parent;        // 父进程
    uint32_t heap_start;            // 堆的顶层地址
    uint32_t heap_end;              // 堆结束地址
    int status;                     // 进程执行结果

    int sleep_ticks;        // 睡眠时间
    int time_ticks;         // 设置计数器   时间片
    int slice_ticks;        // 递减时间片计数

    file_t * file_table[TASK_OFILE_NR];      // 记录进程打开了哪些文件  任务最多打开的文件数量

    char name[TASK_NAME_SIZE];      // 任务名字

    list_node_t run_node;           // 运行相关结点
    list_node_t wait_node;          // 等待队列
    list_node_t all_node;           // 所有队列结点

    tss_t tss;                  // 任务的TSS段
    int tss_sel;                // tss选择子
}task_t;

linux源码中的task_struct描述符，里面包含很多的变量。我这个操作系统知识demo级别的，所以用到的并不多。


可以看到我们是用pid来区分不同的进程，task_struct里面还有该进程的名字，该进程的堆栈空间地址。


进程初始化有一部分就是初始化task_struct这个结构中的信息。

将当前任务插入到所有任务队列中

关于这个代码list_insert_last(&task_manager.task_list, &task->all_node);，这个是将当前任务加入所有任务队列中去。
task_manager是个task_manager_t的结构类型。结构的源码如下：

typedef struct _task_manager_t {
    task_t * curr_task;     // 当前运行的任务

    list_t ready_list;      // 就绪队列
    list_t task_list;       // 保存所有已经创建好的进程 所有已创建任务的队列
    list_t sleep_list;      // 睡眠队列 延时队列

    task_t first_task;      // 内核任务
    task_t idle_task;       // 空闲任务

    int app_code_sel;       // 任务代码段选择子
    int app_data_sel;       // 应用任务的数据段选择子
}task_manager_t;

这里面记录了当前运行的任务，就绪队列，已创建好的所有进程队列等等关于进程的队列。

进程切换

进程切换，项目中就只切换了两个进程，一个init_task和一个first_task。就两个进程就好说了，切换的时候传入两个task_struct的地址，然后利用长跳指令跳到新的进程的TSS结构，这个TSS结构包含了新进程的上下文信息，硬件（硬件根据选择子判断是不是TSS结构）会自动将这些信息加载到各个寄存器中。


任务切换中，cpu会把当前寄存器的数据保存到当前（旧的）tr寄存器所指向的tss数据结构里，然后把新的tss数据复制到当前寄存器里。这些操作是通过cpu的硬件实现的

    task_init(&init_task, (uint32_t)init_task_entry, (uint32_t)&init_task_stack[1024]);
    task_init(&first_task, 0, 0);  // 后面两个参数为0：first_task跑起来后已经运行，不需要从tss中加载初始化的值，因此里面的值无所谓，后面切换的时候也会保存状态。
    write_tr(first_task.tss_sel);  // 对任务寄存器tr进行初始化

    int count = 0;
    for (;;) {
        log_printf("int main %d", count++);
        task_switch_from_to(&first_task, &init_task);
    }

先初始化的两个任务，然后将当前任务的tss选择子存到TR寄存器中。task_switch_from_to(&first_task, &init_task);就是从first_task切换到init_task。

void switch_to_tss (int tss_sel) {
    far_jump(tss_sel, 0);
}

static inline void far_jump (uint32_t selector, uint32_t offset) {
    uint32_t addr[] = {offset, selector};

    __asm__ __volatile__("ljmpl *(%[a])"::[a]"r"(addr));
}

void task_switch_from_to (task_t * from, task_t * to) {
    // 简单的用jmp到对应的tss选择子进行任务切换
    switch_to_tss(to->tss_sel);
    // simple_switch(&from->stack, to->stack);
}

就是长跳到另一个进程的tss位置，然后硬件会自动将当前TSS中的信息加载到各个寄存器，将tss位置存到TR寄存器中。

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