Linux小白实验之基于mykernel完成多进程的简单内核

#学号后三位：072
原创作品转载请注明出处 + https://github.com/mengning/linuxkernel/

一：实验要求

(1) 完成一个简单的时间片轮转多道程序内核代码
(2) 分析进程的启动和进程的切换机制
(3) 理解操作系统如何工作

二：实验环境

本次实验主要使用实验楼linux内核分析课程线上虚拟机的linux环境来完成，具有环境免配置，使用方便，不消耗主机资源等优点。
实验楼链接：https://www.shiyanlou.com/courses/195

三：实验过程

1. 实验前环境测试

由于本次实验是在实验楼的虚拟机上运行的，MyKernel的实验环境已经部署好了。如果想要在自己的虚拟机上进行实验的，请按照孟老师的部署方案一步步执行即可完成署。
在开始进行正式实验之前，我们先来测试一下。

第一步：打开虚拟机终端，输入以下命令

成功运行后，会弹出一个QEMU窗口，不断输出字符串：>>>>>my_timer_handler here <<<<< 和 my_start_kernel here
截图如下所示：

第二步：查看mymain.c 和myinterrupt.c代码

通过mymain.c文件代码可以看出my_start_kernel函数是一个无限循环函数，不停的输出 my_start_kernel here。

通过myinterrupt.c文件代码可以看出my_timer_handler函数是一个被时钟中断周期调用的函数，输出>>>>>my_timer_handler here <<<<< 字符串。
第三步：总结
mykernel在启动之后，系统调用my_start_kernel函数，并周期性调用my_timer_handler函数。

2. 进行实验

第一步：获取实验代码
代码主要来自于孟宁老师的GIthub，非常感谢孟老师
代码连接：https://github.com/mengning/mykernel
一共需要拷贝了三个文件，将其放置在实验环境中的LinuxKernel/linux-3.9.4/mykernel中。这三个文件分别是mypcb.h、mymain.c、 myinterrupt.c。
注意：拷贝时采用实验楼虚拟机里自带的剪贴板进行复制粘贴，直接从Window电脑进行复制粘贴拷贝有可能不会成功。
第二步：采用make命令编译运行
运行成功后，截图如下：
从上述图片可以清楚的看到进程2和进程3进行了切换，实验完成。

3. 代码分析

1. mypcb.h
   
   mypcb.h主要定义了以下内容：
   (1) 最大进程数 MAX_TASK_NUM 即有MAX_TASK_NUM个进程参与内核的时间片轮转调度。
   (2) 内核进程栈的大小 KERNEL_STACK_SIZE 即每一个进程可以使用的堆栈大小。
   (3) 线程Thread 包括指令指针ip和栈顶指针sp。
   (4) 进程控制块PCB 包括进程编号、进程状态state、进程堆栈、线程、任务实体、下一个进程指针。
   (5) 调度函数my_schedule 用于模拟进程执行一段时间后切换到其他进程继续执行的过程。
2. mymain.c
   
   在mymain.c中，主要负责进程的初始化并启动进程，做了以下三件事
   (1) 初始化一个进程 为其分配进程编号、进程状态state、进程堆栈、线程、任务实体等，并将其next指针指向自己。
   (2) 初始化更多的进程 根据第一个进程的部分资源，包括内存拷贝函数的运用，将0号进程的信息进行了复制，修改pid等信息。
   (3) 设置当前进程 因为是初始化，所以当前进程就决定给0号进程了，通过执行嵌入式汇编代码，开始执行mykernel内核。
   重点分析一下嵌入式汇编代码：
   
   汇编代码是学习Linux内核编程的重点和难点，一定得花时间弄明白代码的含义。在本代码中，"c"就是ecx，内容为task[pid].thread.ip，"d"就是edx，内容为task[pid].thread.sp。从冒号开始，以逗号分隔开，从0开始，每一个寄存器有一个标号，即ecx的标号为%0，edx的标号为%1。
   从第二行开始，第二行将esp置为标号%1，即将esp指向当前进程的栈顶；第三行将标号%1压栈，因为上一句就是当前进程的esp被压栈，此时栈为空，当前ebp被压栈，esp下移一位；第四行将标号%0压栈，即当前进程的指令指针eip压栈，第五行将eip指向当前进程指针，开始执行当前进程。
   最后实现了my_process函数，这是一个死循环，每个进程都是执行此函数。每10000000次，打印当前进程的pid，全局变量my_need_sched，通过对my_need_sched进行判断，若为1，则通知正在执行的进程执行调度程序，然后打印调度后的进程pid。
3. myinterrupt.c
   
   这部分实现比较简单，主要实现定时器中断，每1000下进行my_need_sched的检查，如果不为1，则置其为1使其进程调度。my_schedule函数具体实现了进程的切换。声明了两个指针，prev和next，分别指向当前进程和下一个进程。进程切换时分两种情况，当next_state ==0 时，即下一个进程正在执行。
   
   重点分析一下上面的嵌入式汇编代码：在my_schedule函数中，完成进程的切换。进程的切换分两种情况，一种情况是下一个进程没有被调度过，另外一种情况是下一个进程被调度过，可以通过下一个进程的state知道其状态。进程切换依然是通过内联汇编代码实现，无非是保存旧进程的eip和堆栈，将新进程的eip和堆栈的值存入对应的寄存器中。
   上边代码实现了进程的切换，第三行将当前的ebp保存压栈，然后将当前的esp存入内存中（prev->thread.sp）；第四行将ebp指向要切换进程的esp；第五行保存当前的eip到pre->thread.ip；第六行将下一个进程的eip压栈；第七行ret实现将栈顶，即刚刚压栈的eip弹出，赋给eip，程序开始从此处执行（即要切换的进程），完成了进程切换。
   当下一个进程状态不为0时，即表示还未执行，此时esp等与ebp，其余部分和第一种情况相同。

四：实验总结

通过本次实验，我不仅了解了inux操作系统的工作方式和计算机工作的三大法宝，而且了解了堆栈的工作方式和如何在C语言中嵌套汇编语言的方法。我意识到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。
纸上得来终觉浅，觉知此事要躬行。身为一个Linux小白，我深知自己还有太多需要学习的地方，今后我会多动手，多练习，更好的学好这门课。