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@SovietPower 2021-12-05T06:52:27.000000Z 字数 7574 阅读 1019

OS pintos进程管理

OS

https://www.zybuluo.com/SovietPower/note/1912540

process.c

文件在userprog/process.c下。

段寄存器

32位CPU所含有的寄存器有：
4个数据寄存器(EAX、EBX、ECX和EDX)
2个变址和指针寄存器(ESI和EDI) 2个指针寄存器(ESP和EBP)
6个段寄存器(ES、CS、SS、DS、FS和GS)
1个指令指针寄存器(EIP) 1个标志寄存器(EFlags)

计算机需要对内存分段，以分配给不同的程序使用。在描述内存分段时，需要有如下段的信息：段的大小、段的起始地址、段的管理属性（禁止写入/禁止执行/系统专用等）。
这些信息需要用8字节（64位）存储，但段寄存器只有16位，因此段寄存器中只存储段号（segment selector，段选择符），再由段号映射到存在内存中的GDT（全局描述符表）。

分类
代码段寄存器CS（Code Segment）：存放当前正在运行的程序代码所在段的段基址，表示当前使用的指令代码可以从该段寄存器指定的存储器段中取得，相应的偏移量则由IP提供。
数据段寄存器DS（Data Segment）：指出当前程序使用的数据所存放段的最低地址，即存放数据段的段基址。
堆栈段寄存器SS（Stack Segment）：指出当前堆栈的底部地址，即存放堆栈段的段基址。
附加段寄存器ES（Extra Segment）：指出当前程序使用附加数据段的段基址，该段是串操作指令中目的串所在的段。
标志段寄存器FS（Flag Segment）：附加段寄存器。
全局段寄存器GS（Global Segment）：附加段寄存器。

SEL_UCSEG, SEL_UDSEG, SEL_TSS, SEL_CNT

在userprog/gdt.h中。GDT为全局描述符表。

  1. /* 段选择符. */
  2. #define SEL_UCSEG       0x1B    /* 用户代码段选择符. */
  3. #define SEL_UDSEG       0x23    /* 用户数据段选择符. */
  4. #define SEL_TSS         0x28    /* 任务状态段，实现任务的挂起和恢复. */
  5. #define SEL_CNT         6       /* 段数. */

FLAG_MBS, FLAG_IF

标志寄存器值。

  1. /* EFLAGS Register. */
  2. #define FLAG_MBS  0x00000002    /* 必须设置. */
  3. #define FLAG_IF   0x00000200    /* 中断标志. */

intr_frame

中断帧，保存中断发生时进程的栈帧。

和任务状态段（Task State Segment, TSS）差不多？
任务状态段包含了多个字段，表示了管理任务的所有信息。和其它段一样，任务状态段描述符（TSS Descriptor）用于定义TSS。

  1. struct intr_frame
  2. {
  3.     /* Pushed by intr_entry in intr-stubs.S.
  4.       保存中断程序的寄存器. */
  5.     uint32_t edi;               /* 保存 EDI. */
  6.     uint32_t esi;               /* 保存 ESI. */
  7.     uint32_t ebp;               /* 保存 EBP. */
  8.     uint32_t esp_dummy;         /* 未使用. */
  9.     uint32_t ebx;               /* 保存 EBX. */
  10.     uint32_t edx;               /* 保存 EDX. */
  11.     uint32_t ecx;               /* 保存 ECX. */
  12.     uint32_t eax;               /* 保存 EAX. */
  13.     uint16_t gs, :16;           /* 保存 全局段寄存器. */
  14.     uint16_t fs, :16;           /* 保存 标志段寄存器. */
  15.     uint16_t es, :16;           /* 保存 附加段寄存器. */
  16.     uint16_t ds, :16;           /* 保存 数据段寄存器. */
  18.     /* Pushed by intrNN_stub in intr-stubs.S. */
  19.     uint32_t vec_no;            /* 中断向量标号. */
  21.     /* Sometimes pushed by the CPU,
  22.        otherwise for consistency pushed as 0 by intrNN_stub.
  23.        The CPU puts it just under `eip', but we move it here. */
  24.     uint32_t error_code;        /* 错误码. */
  26.     /* Pushed by intrNN_stub in intr-stubs.S.
  27.        This frame pointer eases interpretation of backtraces. */
  28.     void *frame_pointer;        /* 保存 帧指针 EBP. */
  30.     /* Pushed by the CPU.
  31.        保存中断程序的寄存器. */
  32.     void (*eip) (void);         /* 指令寄存器的位置. */
  33.     uint16_t cs, :16;           /* 保存 代码段寄存器. */
  34.     uint32_t eflags;            /* 保存 CPU 标志符. */
  35.     void *esp;                  /* 保存栈指针. */
  36.     uint16_t ss, :16;           /* 保存 堆栈段寄存器. */
  37. };

process_execute()

开始一个线程，用于运行名为file_name的用户程序。
如果线程被成功创建，返回线程id，否则返回TID_ERROR。
线程可能在该函数结束前就被调度运行。

  1. tid_t process_execute (const char *file_name)
  2. {
  3.     char *fn_copy;
  4.     tid_t tid;
  6.     /* Make a copy of FILE_NAME.
  7.         Otherwise there's a race between the caller and load(). */
  8.     fn_copy = palloc_get_page (0);
  9.     if (fn_copy == NULL)
  10.         return TID_ERROR;
  11.     strlcpy (fn_copy, file_name, PGSIZE); // 拷贝该参数，避免之后使用时被修改？
  13.     /* Create a new thread to execute FILE_NAME. */
  14.     tid = thread_create (file_name, PRI_DEFAULT, start_process, fn_copy); // 创建执行该程序的新线程
  15.     if (tid == TID_ERROR)
  16.         palloc_free_page (fn_copy);
  17.     return tid;
  18. }

start_process()

加载一个用户程序并使其开始运行。
会初始化一个中断帧，调用load()加载程序，然后执行一个从中断的返回intr_exit()来开始该进程。

  1. static void start_process (void *file_name_)
  2. {
  3.     char *file_name = file_name_;
  4.     struct intr_frame if_;
  5.     bool success;
  7.     /* 初始化中断帧，并调用load()加载程序 */
  8.     memset (&if_, 0, sizeof if_);
  9.     if_.gs = if_.fs = if_.es = if_.ds = if_.ss = SEL_UDSEG;
  10.     if_.cs = SEL_UCSEG;
  11.     if_.eflags = FLAG_IF | FLAG_MBS;
  12.     success = load (file_name, &if_.eip, &if_.esp);
  14.     /* 加载失败，退出 */
  15.     palloc_free_page (file_name);
  16.     if (!success)
  17.         thread_exit ();
  19.     /* 通过模拟一个从中断的返回（intr_exit()），来开始这个用户进程。
  20.         intr_exit() 需要中断帧的所有参数，所以只需将栈指针指向当前栈指，就可以直接跳到它。*/
  21.     asm volatile ("movl %0, %%esp; jmp intr_exit" : : "g" (&if_) : "memory");
  22.     /* 确保成功跳转，而不是继续向下执行 */
  23.     NOT_REACHED (); // PANIC ("executed an unreachable statement");
  24. }

process_wait()

等待指定进程退出，并返回其退出状态。
若对应进程被内核终止，返回-1；如果指定的TID非法，或对应进程不是当前进程的子进程，或已经调用过了对应进程的process_wait()，不等待，立即返回-1。

该函数还未实现。

  1. int process_wait (tid_t child_tid UNUSED);

pagedir_activate()

加载指定页目录PD的物理地址，到CPU的页目录基址寄存器中，使PD对应的新的页表立刻被激活。
若pd为空指针，则令pd = init_page_dir，即加载预定义的页目录（为只有内核可以映射的页目录，kernel-only page directory）。

  1. void pagedir_activate (uint32_t *pd);

pagedir_destroy()

销毁指定页目录PD，释放它指向的所有页。

  1. void pagedir_destroy (uint32_t *pd);

process_exit()

释放当前进程的页目录，并将当前页表切换到init_page_dir，为只有内核可映射的页目录。
注意在切换页表前，必须先将当前进程cur->pagedir设为NULL，否则切换页表后可能被某个中断影响，又切换回去。在释放页表前，必须先切换页表，否则就是释放当前正在使用的页表。

  1. void process_exit (void);

ring

Intel的x86处理器是通过Ring级别来进行访问控制的，CPU运行级别共分4层，RING0, RING1, RING2, RING3。
RING0层拥有最高的权限，RING3层拥有最低的权限。按照Intel原有的构想，应用程序工作在RING3层，只能访问RING3层的数据，操作系统工作在RING0层，可以访问所有层的数据，而其他驱动程序位于RING1、RING2层，每一层只能访问本层以及权限更低层的数据。如果普通应用程序企图执行RING0指令，则Windows会显示“非法指令”错误信息。
Windows只使用其中的两个级别：RING0和RING3。

tss_update()

将TSS中的ring 0栈指针，指向当前进程栈的底部。
不是很懂用途，将当前进程栈设为最高优先级？

  1. void tss_update (void);

process_activate()

为当前进程的用户代码设置CPU？
每次上下文切换，都需调用该函数。

  1. void process_activate (void)
  2. {
  3.     struct thread *t = thread_current ();
  5.     /* 激活线程的页表 */
  6.     pagedir_activate (t->pagedir);
  8.     /* 设置线程的内核栈，用于处理中断 */
  9.     tss_update ();
  10. }

ELF types

用于加载ELF二进制文件的定义。取自ELF手册（ELF specification）。

  1. /* ELF types.  See [ELF1] 1-2. */
  2. typedef uint32_t Elf32_Word, Elf32_Addr, Elf32_Off;
  3. typedef uint16_t Elf32_Half;
  5. /* For use with ELF types in printf(). */
  6. #define PE32Wx PRIx32   /* Print Elf32_Word in hexadecimal. */
  7. #define PE32Ax PRIx32   /* Print Elf32_Addr in hexadecimal. */
  8. #define PE32Ox PRIx32   /* Print Elf32_Off in hexadecimal. */
  9. #define PE32Hx PRIx16   /* Print Elf32_Half in hexadecimal. */

Elf32_Ehdr

可执行文件的头部（可执行头部？Executable Header）。在每个ELF二进制文件的最开始都会有。

  1. struct Elf32_Ehdr
  2. {
  3.     unsigned char e_ident[16];
  4.     Elf32_Half    e_type;
  5.     Elf32_Half    e_machine;
  6.     Elf32_Word    e_version;
  7.     Elf32_Addr    e_entry;
  8.     Elf32_Off     e_phoff;
  9.     Elf32_Off     e_shoff;
  10.     Elf32_Word    e_flags;
  11.     Elf32_Half    e_ehsize;
  12.     Elf32_Half    e_phentsize;
  13.     Elf32_Half    e_phnum;
  14.     Elf32_Half    e_shentsize;
  15.     Elf32_Half    e_shnum;
  16.     Elf32_Half    e_shstrndx;
  17. };

Elf32_Phdr

程序的头部（Program Header）。
会有e_phnum个，从文件的e_phoff处开始。

  1. struct Elf32_Phdr
  2. {
  3.     Elf32_Word p_type;
  4.     Elf32_Off  p_offset;
  5.     Elf32_Addr p_vaddr;
  6.     Elf32_Addr p_paddr;
  7.     Elf32_Word p_filesz;
  8.     Elf32_Word p_memsz;
  9.     Elf32_Word p_flags;
  10.     Elf32_Word p_align;
  11. };

p_type, p_flags

p_type, p_flags的可能值。

  1. /* Values for p_type.  See [ELF1] 2-3. */
  2. #define PT_NULL    0            /* 忽略 */
  3. #define PT_LOAD    1            /* 可加载段 */
  4. #define PT_DYNAMIC 2            /* 动态链接信息 */
  5. #define PT_INTERP  3            /* 动态加载器的名称 */
  6. #define PT_NOTE    4            /* 辅助信息 */
  7. #define PT_SHLIB   5            /* 保留 */
  8. #define PT_PHDR    6            /* 程序头部表 */
  9. #define PT_STACK   0x6474e551   /* 堆栈段 */
  11. /* Flags for p_flags.  See [ELF3] 2-3 and 2-4. */
  12. #define PF_X 1          /* 可执行 */
  13. #define PF_W 2          /* 可写 */
  14. #define PF_R 4          /* 可读 */

load()

从file_name加载一个二进制文件到当前进程。并将可执行文件的入口点（Entry Point）保存到EIP中，将可执行文件的初始栈指针保存到ESP中。
如果成功返回true，失败返回false。

函数会依次进行：为其创建、分配、激活新的页目录，打开该二进制文件，读并确认该文件的可执行头部，读该程序的头部，为其创建栈，设置EIP为其入口地址，关闭该文件。

  1. bool load (const char *file_name, void (**eip) (void), void **esp);

validate_segment()

判断一个程序头部phdr是否描述了一个file中有效的、可加载的段。如果是返回true，否则返回false。

phdr描述了一个file中有效的、可加载的段，必须满足以下条件：
phdr的p_offset和p_vaddr必须有相同的页偏移。
phdr必须指向file内部（其p_offset在file内）。
phdr的memsz大小不小于其p_filesz。
phdr的p_memsz非空（不为0）。
phdr的虚拟内存区域起始（phdr->p_vaddr）和终止位置（phdr->p_vaddr+phdr->p_memsz）都在用户地址空间内部。
phdr的虚拟内存区域不会超出内核的虚拟地址空间，即phdr->p_vaddr + phdr->p_memsz要大于等于phdr->p_vaddr。
不允许映射到页0，即phdr->p_vaddr要大于等于PGSIZE（页0的终止位置）。

  1. static bool
  2. validate_segment (const struct Elf32_Phdr *phdr, struct file *file);

load_segment()

在地址upage处，加载文件file在ofs处的段。
从upage开始的read_bytes个字节，会被设为file从ofs开始的对应内容；从upage+read_bytes开始的zero_bytes个字节，会被设为0。
该函数初始化的这read_bytes+zero_bytes个字节，可写性需与writable一致，即writable为true时，这部分需对用户进程可写，否则只可读。
如果上述内容成功实现，返回true，否则内存分配错误或硬盘读写错误，返回false。

函数实现大概为：每次分配一页内存，根据read_bytes和zero_bytes确定当前页是从file中复制还是设为0。

  1. static bool
  2. load_segment (struct file *file, off_t ofs, uint8_t *upage,
  3.               uint32_t read_bytes, uint32_t zero_bytes, bool writable);

setup_stack()

创建一个最小大小（一页）的栈。成功返回true，失败返回false。
通过在用户虚拟空间的最顶部，映射一个清0的页实现。

  1. static bool setup_stack (void **esp);

install_page()

在页表中，添加一个从用户虚拟地址upage到内核虚拟地址kpage的映射。
若writable为true，用户进程可以修改对应页，否则对应页对用户只读。
upage必须还未被映射。kpage或许应该是（should probably be?）一个从用户池中获取的页（通过palloc_get_page()）。
如果上述内容成功实现，返回true，否则upage已被映射或内存分配失败，返回false。

  1. static bool
  2. install_page (void *upage, void *kpage, bool writable)
  3. {
  4.   struct thread *t = thread_current ();
  6.   /* 确认对应虚拟地址还没映射到内核页，然后映射 */
  7.   return (pagedir_get_page (t->pagedir, upage) == NULL
  8.           && pagedir_set_page (t->pagedir, upage, kpage, writable));
  9. }
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