docker底層實現原理，《Linux內核分析》（二）——從一個簡單Linux內核分析進程切換原理

2023-11-09 阅读 31 评论 0

摘要：轉載：https://blog.csdn.net/FIELDOFFIER/article/details/44280717 《Linux內核分析》MOOC課程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000?” 實驗環境：c+Linux64位（32位系統可能結果會不同）依照學術誠信條款，我保證此回答

轉載：https://blog.csdn.net/FIELDOFFIER/article/details/44280717

《Linux內核分析》MOOC課程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000?”
實驗環境：c+Linux64位（32位系統可能結果會不同）
依照學術誠信條款，我保證此回答為本人原創，所有回答中引用的外部材料已經做了出處標記。

源代碼以及運行環境搭建請參考mykernel，其中提供了一個簡單的Linux內核源代碼，本文主要分析其中的三個文件：

mypcb.h
mymain.c
myinterrupt.c

通過對這三個文件的分析來理解進程的切換原理。

注意，雖然在源代碼中建立了4個進程并且進行循環的切換，但是為了簡便分析時假定只有兩個進程，編號0和1。另，在實際的Linux系統中每個進程都會有兩個堆棧：用戶態一個、內核態一個，但是在這個模擬的內核中每個進程只分配了一個堆棧。

首先，從mymain.c開始分析

docker底層實現原理？在進程切換中最為重要的是運行棧的切換和eip(即程序計數器)的正確跳轉，mymain.c中的函數my_start_kernel是最開始執行的代碼，因此從這個函數開始進行分析。my_start_kernel函數首先建立起了4個進程并且進行了初始化，如分配棧等，注意在剛建立的時候只有0號進程的狀態是runuable,其余的都是unrunnable。還有就是PCB結構中的threap.sp，每個進程對應一個棧，所以在這里thread.sp指向對應PCB內的char stack[KERNEL_STACK_SIZE - 1]，即用這個字符數組作為運行棧，因為棧是由高地址向低地址增長，所以指向stack[KERNEL_STACK_SIZE - 1]。
接下來重點分析這段代碼：

/* start process 0 by task[0] */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 */"popl %%ebp\n\t": : "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)   /* input c or d mean %ecx/%edx*/);

這段內嵌匯編代碼的功能是完成對0號進程的啟動，其運行時的棧的情況如下：
開始之前的棧的情況：

"movl %1,%%esp\n\t"     /* set task[pid].thread.sp to esp */

本條指令把0號進程當前的棧頂地址放入esp，因為初始化的時候task[0].thread.sp指向的是stack[KERNEL_STACK_SIZE-1]，所以執行完這條指令之后esp指向task[0]的堆棧的棧頂處，如下圖：

"pushl %1\n\t"          /* push ebp */

把task[0]的sp壓入棧，棧的示意圖如下：

"pushl %0\n\t"          /* push task[pid].thread.ip */

把0號進程的ip，即my_process()函數的入口地址入棧，此時棧內情況如下圖：

"ret\n\t"               /* pop task[pid].thread.ip to eip */

從棧中彈出剛剛放入的my_process()函數入口地址賦給eip，開始運行0號進程

centos6內核版本。

my_process()在執行時將會判斷是否需要進行進程切換，由于我們假設內核中只有0和1兩個進程，我們假定切換條件已經滿足，在此直接分析從0號進程切換到1號進程的情況。
由于當前1號進程的pid[1].state是 “-1”（unrunnable），所以將會執行my_schedule()函數的else分支的內容。
my_interrupt.c文件的my_schedule()函數的else分支的內容如下：

else{next->state = 0;my_current_task = next;printk(KERN_NOTICE "switch from %d process to %d process\n \>>>process %d running!!!<<<\n\n\n",prev->pid,next->pid,next->pid);/* switch to new process */asm volatile(  "pushl %%ebp\n\t" /* save ebp */"movl %%esp,%0\n\t" /* save esp */"movl %2,%%esp\n\t" /* restore esp */"movl %2,%%ebp\n\t" /* restore ebp */"movl $1f,%1\n\t" /* save eip */   "pushl %3\n\t""ret\n\t" /* restore eip */: "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip): "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip));}

在此重點分析其中內嵌的匯編代碼。由于在從函數my_start_kernel()切換到函數my_process()的時候會有保存現場的動作，函數my_process()調用函數my_schedule()也會保存現場，所以在上述代碼執行前的棧的情況應該是：

這里插入第六張圖

"pushl %%ebp\n\t" /* save ebp */
"movl %%esp,%0\n\t" /* save esp */

保存0號進程的運行現場，即首先把0號進程的當前的棧底保存在棧中，然后把當前esp的值保存在0號進程的thread.sp中，這些現場值在切回到0號進程的時候是可以復原的，此時的棧的情況：

"movl %2,%%esp\n\t" /* restore esp */
"movl %2,%%ebp\n\t" /* restore ebp */

開始進行棧切換，即從task[0].stack，切換到task[1].stack，此時的棧的情況：

"movl $1f,%1\n\t" /* save eip */

這里的$1f是一個有特殊意義的數字，上述這條代碼的功能是當下一次進程切換回0號進程時，將會從這里繼續執行。

"pushl %3\n\t"

把1號進程的進程入口地址（這里因為是1號進程第一次運行，所以就是my_process()函數的入口地址，若果不是第一次運行，由于執行過上一條代碼”movl $1f,%1\n\t”那么進程1將會按照被切換掉的時候的代碼繼續執行下去）入棧。此時棧中情況如圖：

"ret\n\t" /* restore eip */

從當前棧task[1].stack中彈出剛剛送入的1號進程的入口地址，即執行my_process()函數，啟動1號進程，與0號進程的啟動類似，接下來就是判斷是否需要進程切換。在此同樣假設進程切換的條件都已經滿足，接下來分析從1號進程切換到0號進程的過程。

shell多線程。首先，經過了一系列的函數調用，1號進程的棧已經發生了變化，示意圖如下：

接下來開始分析從1號進程切換回0號進程的的流程

由于0號進程之前運行過，所以其狀態是runnable，則調度過程中將進入my_schedule()方法的if分支執行，即執行如下代碼：

if(next->state == 0)/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */{//save current scene/* switch to next process */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));my_current_task = next;//switch to the next taskprintk(KERN_NOTICE "switch from %d process to %d process\n>>>process %d running!!!<<<\n\n",prev->pid,next->pid,next->pid);}

主要分析嵌入的匯編代碼

"pushl %%ebp\n\t" /* save ebp */
"movl %%esp,%0\n\t" /* save esp */

實現1號進程的運行棧環境保存，具體做法是把當前ebp入棧，然后把棧頂指針esp存入1號進程的task[1].thread.sp，執行后的棧情況如圖：

"movl %2,%%esp\n\t" /* restore esp */

此條匯編語句執行后，esp所指的棧已經改變，即由1號進程切換到0號進程，把進程0的thread.sp的值賦給esp，由于在從進程0切換到進程1的時候保存過thread.sp的值，所以此時的棧如圖：

    "movl $1f,%1\n\t" /* save eip */"pushl %3\n\t"

這兩條代碼與之前切換時實現相同的功能，都是為下一步的切換做的準備，之后的棧如圖：

shell進程？

"ret\n\t" /* restore eip */

這是由1號進程，即當前進程調用的my_schedule()將執行最后一條指令，其后的語句將在下次進行進程切換，切換回1號進程時繼續執行。此時棧情況如圖：

此時eip和esp都已經切換回了由進程0切換到進程1最后時刻的值，當eip繼續去指令時，得到的將是0號進程上一次被切換掉時的指令的下一條指令，如下：

/* start process 0 by task[0] */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"               /* 進程0在這里被切換走 */"popl %%ebp\n\t" /* 接著應該執行這條指令 */: : "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)   /* input c or d mean %ecx/%edx*/);