[rCore学习笔记 024]多道程序与协作式调度
写在前面本随笔是非常菜的菜鸡写的。如有问题请及时提出。
可以联系：1160712160@qq.com
GitHhub：https://github.com/WindDevil （目前啥也没有
本节重点
主要是对 任务 的概念进行进一步扩展和延伸：形成
[*]任务运行状态：任务从开始到结束执行过程中所处的不同运行状态：未初始化、准备执行、正在执行、已退出
[*]任务控制块：管理程序的执行过程的任务上下文，控制程序的执行与暂停
[*]任务相关系统调用：应用程序和操作系统之间的接口，用于程序主动暂停 sys_yield 和主动退出 sys_exit
这里主要看具体实现,这些概念之前学习RTOS的时候使用是会使用了,但是具体怎么实现还不好说.
多道程序背景与 yield 系统调用
尽管 CPU 可以一直在跑应用了,但是其利用率仍有上升的空间.
随着应用需求的不断复杂,有的时候会在内核的监督下访问一些外设,它们也是计算机系统的另一个非常重要的组成部分,即 输入/输出 (I/O, Input/Output) .
CPU 会把 I/O 请求传递给外设,待外设处理完毕之后,CPU 便可以从外设读到其发出的 I/O 请求的处理结果.
我们暂时考虑 CPU 只能 单向地 通过读取外设提供的寄存器信息来获取外设处理 I/O 的完成状态。
多道程序的思想在于:
[*]内核同时管理多个应用。如果外设处理 I/O 的时间足够长，那我们可以先进行任务切换去执行其他应用
[*]在某次切换回来之后，应用再次读取设备寄存器，发现 I/O 请求已经处理完毕了，那么就可以根据返回的 I/O 结果继续向下执行了
这样的话，只要同时存在的 应用足够多 ，就能 一定程度 上隐藏 I/O 外设处理相对于 CPU 的延迟，保证 CPU 不必浪费时间在等待外设上，而是几乎一直在进行计算。
这种任务切换，是让应用 主动 调用 sys_yield 系统调用来实现的，这意味着应用主动交出 CPU 的使用权给其他应用。
这一段的描述相当是一种多任务的轮询,但是在我的脑海中, 外部中断 还是比多任务轮询要好得多的. 但是怎么合理地 利用 外部中断提高实时性,就是一个问题.
至于主动调用sys_yield就是一件很难的事情,也就是为啥叫做 协作式 , 就是系统的性能要依赖程序员在设计APP的时候释放CPU.(我自己都想拉满CPU,谁想管你死活捏)
这里提到了 一种多道程序执行的典型情况 :
这张图很好解释:
[*]这张图的 横轴 是时间轴
[*]这张图的 纵轴 是运行实体(任务和IO硬件)
[*]可以看到是有三个运行实体
[*]I/O Device : 这个是IO硬件
[*]I/O Task : 这个是请求IO硬件的任务
[*]Other Task : 这个是不请求IO硬件的其它任务
[*]可以看到最开始是 IO Task 在运行.
[*]在 I/O Start yield 时刻,IO Task 请求了IO硬件,然后释放了CPU.
[*]Other Task 接手CPU,同时 IO Device 继续处理硬件上的问题.
[*]一直执行到 Not Complete yileld again 时段的开头,Other Task 执行完毕,把CPU释放.
[*]由 IO Task 接手之后检查IO硬件状态,仍然没有处理完毕.
[*]在 Not Complete yileld again 时段的结尾, IO Task 释放CPU.
[*]Other Task 再次接手CPU,同时 IO Device 继续处理硬件上的问题.
[*]在 Other Task 执行期间,发生了 I/O Complete 时刻,但是此时软件感知不到.
[*]在 Continue 时刻, ,Other Task 执行完毕,把CPU释放.
[*]由 IO Task 接手之后检查IO硬件状态,处理完毕,因此继续执行.
上面我们是通过“避免无谓的外设等待来提高 CPU 利用率”这一切入点来引入 sys_yield 。但其实调用 sys_yield 不一定与外设有关 。随着内核功能的逐渐复杂，我们还会遇到 其他需要等待的事件 ，我们都可以立即调用 sys_yield 来避免等待过程造成的浪费。
sys_yield 的缺点
这一部分和我最开始考虑的关于实时性问题的思考是有一定关联的.
当应用调用它主动交出 CPU 使用权之后，它下一次再被允许使用 CPU 的时间点与内核的调度策略与当前的总体应用执行情况有关，很有可能远远迟于该应用等待的事件（如外设处理完请求）达成的时间点。这就会造成该应用的响应延迟不稳定或者很长。比如，设想一下，敲击键盘之后隔了数分钟之后才能在屏幕上看到字符，这已经超出了人类所能忍受的范畴。但也请不要担心，我们后面会有更加优雅的解决方案。
sys_yield 的标准接口
思考我们之前提到的两种syscall.
在 内核层 实现的:
//os/syscall/mod
const SYSCALL_WRITE: usize = 64;
const SYSCALL_EXIT: usize = 93;
mod fs;
mod process;
use fs::*;
use process::*;
/// handle syscall exception with `syscall_id` and other arguments
pub fn syscall(syscall_id: usize, args: ) -> isize {
match syscall_id {
SYSCALL_WRITE => sys_write(args, args as *const u8, args),
SYSCALL_EXIT => sys_exit(args as i32),
_ => panic!("Unsupported syscall_id: {}", syscall_id),
}
}在 用户层 实现的:
//user/syscall
use core::arch::asm;
const SYSCALL_WRITE: usize = 64;
const SYSCALL_EXIT: usize = 93;
fn syscall(id: usize, args: ) -> isize {
let mut ret: isize;
unsafe {
asm!(
"ecall",
inlateout("x10") args => ret,
in("x11") args,
in("x12") args,
in("x17") id
);
}
ret
}
pub fn sys_write(fd: usize, buffer: &) -> isize {
syscall(SYSCALL_WRITE, )
}
pub fn sys_exit(exit_code: i32) -> isize {
syscall(SYSCALL_EXIT, )
}这里如果能理解到这里的同名的syscall,sys_write,sys_exit不是同一个函数,说明才 理解到位 .
现在要 继续实现 一个 系统调用 sys_yield.
于是要在 用户层 实现接口:
// user/src/syscall.rs
pub fn sys_yield() -> isize {
syscall(SYSCALL_YIELD, )
}
// user/src/lib.rs
pub fn yield_() -> isize { sys_yield() }SYSCALL_YIELD同样是一个 需要定义 的常量.
这里有个小问题,由于yield是rust的 关键字 ,因此定义函数名字的时候 增加了一个_ .
于是在 内核层 的syscall里边也需要增加一个判别,现在我只写成伪代码,因为具体我也 不知道 参数怎么填写:
pub fn syscall(syscall_id: usize, args: ) -> isize {
match syscall_id {
// 这里是伪代码
SYSCALL_YIELD => sys_yield(...)
// 这里是伪代码
SYSCALL_WRITE => sys_write(args, args as *const u8, args),
SYSCALL_EXIT => sys_exit(args as i32),
_ => panic!("Unsupported syscall_id: {}", syscall_id),
}
}任务控制块与任务运行状态
思考上一章实现的AppManager,它包含了三部分:
[*]应用的 数量 .
[*]当前 运行应用.
[*]应用的 入口地址 .
但是考虑当前的任务的状态,可能 不是 简单地如上图两任务的情况一样,而是存在更多的任务和更复杂的情景.
想到我们本节 开头 时候所说,要建立一个 任务运行状态 的概念,把任务归类为如下几种状态:
[*]未初始化
[*]准备执行
[*]正在执行
[*]已退出
因此可以使用rust构建这样一个结构体:
// os/src/task/task.rs
#
pub enum TaskStatus {
UnInit, // 未初始化
Ready, // 准备运行
Running, // 正在运行
Exited, // 已退出
}#这个注解有点类似于 Kotlin ,可以让 编译器自动 帮你实现一些方法:
[*]实现了 Clone Trait 之后就可以调用 clone 函数完成拷贝；
[*]实现了 PartialEq Trait 之后就可以使用 == 运算符比较该类型的两个实例，从逻辑上说只有 两个相等的应用执行状态才会被判为相等，而事实上也确实如此。
[*]Copy 是一个标记 Trait，决定该类型在按值传参/赋值的时候采用移动语义还是复制语义。
回想起上一节提到的TaskContext,我们的 任务控制块 中需要保存的两部分也就知道了:
[*]TaskContext保存任务上下文
[*]TaskStatus保存任务状态
因此用rust构建这样一个结构体:
// os/src/task/task.rs
#
pub struct TaskControlBlock {
pub task_status: TaskStatus,
pub task_cx: TaskContext,
}任务管理器
那么有了TaskControlBlock,就可以实现一个任务管理器.
任务管理器需要管理多个任务,于是就需要知道:
[*]app 总数
[*]当前 的任务
[*]每个任务的 控制块
[*]任务 状态
[*]任务 上下文
这里使用了 常量和变量分离的方法 来实现它.
// os/src/task/mod.rs
pub struct TaskManager {
num_app: usize,
inner: UPSafeCell<TaskManagerInner>,
}
struct TaskManagerInner {
tasks: ,
current_task: usize,
}这是因为num_app是常量不需要变化,而inner是变量,需要用UPSafeCell,保证其 内部可变性 和 单核时 安全的借用能力.
这里在官方文档里提到了:
[*]在第二章的AppManager是可以通过current_app推测 到 上/下任务 的.
[*]但是在TaskManger里的TaskManagerInner的current_task是 只能 感知当前任务.
为TaskManager创建全局实例TASK_MANAGER,仍然使用 懒初始化 的方法:
// os/src/task/mod.rs
lazy_static! {
pub static ref TASK_MANAGER: TaskManager = {
let num_app = get_num_app();
let mut tasks = [
TaskControlBlock {
task_cx: TaskContext::zero_init(),
task_status: TaskStatus::UnInit
};
MAX_APP_NUM
];
for i in 0..num_app {
tasks.task_cx = TaskContext::goto_restore(init_app_cx(i));
tasks.task_status = TaskStatus::Ready;
}
TaskManager {
num_app,
inner: unsafe { UPSafeCell::new(TaskManagerInner {
tasks,
current_task: 0,
})},
}
};
}这个初始化顺序是:
[*]使用 上一节实现 的 get_num_app来获取任务数量
[*]创建一个TaskControlBlock的 数组 ,大小为 设定好的 MAX_APP_NUM.
[*]然后通过 上一节实现的 init_app_cx 来获取每个 已经加载到内存 的任务上下文.
[*]把所有的任务都 初始化 为 Ready 状态.
[*]然后用 匿名函数 的方式得到的 task 和初始化为0的current_task创建一个匿名 TaskManagerInner,随后包裹在 UPSafeCell 之中,和num_app一起创建一个TaskManager,传给TASK_MANAGER.
实现 sys_yield 和 sys_exit 系统调用
类似于上一章实现的 内核层 的syscall函数中会根据 函数代码 调用函数.
我们需要理解到的一点就是:
[*]应用层 的 syscall 函数只是使用 ecall 触发Trap.
[*]内核层 的 syscall函数才是真的具体实现.
我们现在讲的是 内核层具体实现 调用的函数,其作用是在syscall中作为一个 分支 :
// os/src/syscall/process.rs
use crate::task::suspend_current_and_run_next;
pub fn sys_yield() -> isize {
suspend_current_and_run_next();
0
}这个是sys_yield,用于暂停当前的应用并切换到下个应用.
看它的具体实现实际上是 抽象化 了suspend_current_and_run_next接口,使得接口名称 一致 .
这时候要考虑我们上一章实现的sys_exit:
//! App management syscalls
use crate::loader::run_next_app;
use crate::println;
/// task exits and submit an exit code
pub fn sys_exit(exit_code: i32) -> ! {
println!(" Application exited with code {}", exit_code);
run_next_app()
}打印了LOG之后,使用run_next_app切换到下一个APP.
那么考虑到现在run_next_app已经不适合于当前的有 任务调度 的系统,所以也要对sys_exit的具体实现进行修改.
// os/src/syscall/process.rs
use crate::task::exit_current_and_run_next;
pub fn sys_exit(exit_code: i32) -> ! {
println!(" Application exited with code {}", exit_code);
exit_current_and_run_next();
panic!("Unreachable in sys_exit!");
}可以看到现在的具体实现是 抽象化 了exit_current_and_run_next接口,使得接口名称 一致 .
接下来我们只需要 具体实现 ,刚刚提到的两个接口就行了:
// os/src/task/mod.rs
pub fn suspend_current_and_run_next() {
mark_current_suspended();
run_next_task();
}
pub fn exit_current_and_run_next() {
mark_current_exited();
run_next_task();
}这里摘抄出具体实现,但是具体实现中还是有三个函数 有待实现 :
[*]mark_current_suspended
[*]mark_current_exited
[*]run_next_task
他们的具体实现要和上一章和上一节的实现对比:
[*]上一章: 加载应用 然后 修改程序指针 直接开始运行 .
[*]上一节:直接 修改程序指针 直接开始运行.
这一章的实现是不同的,是通过 修改用户的状态 ,解决.
// os/src/task/mod.rs
fn mark_current_suspended() {
TASK_MANAGER.mark_current_suspended();
}
fn mark_current_exited() {
TASK_MANAGER.mark_current_exited();
}
impl TaskManager {
fn mark_current_suspended(&self) {
let mut inner = self.inner.borrow_mut();
let current = inner.current_task;
inner.tasks.task_status = TaskStatus::Ready;
}
fn mark_current_exited(&self) {
let mut inner = self.inner.borrow_mut();
let current = inner.current_task;
inner.tasks.task_status = TaskStatus::Exited;
}
}然后再通过run_next_task来(根据状态) 决定(可以叫调度吗?对的...不对...对的对的...不对) 下一步要运行哪个Task.
// os/src/task/mod.rs
fn run_next_task() {
TASK_MANAGER.run_next_task();
}
impl TaskManager {
fn run_next_task(&self) {
if let Some(next) = self.find_next_task() {
let mut inner = self.inner.exclusive_access();
let current = inner.current_task;
inner.tasks.task_status = TaskStatus::Running;
inner.current_task = next;
let current_task_cx_ptr = &mut inner.tasks.task_cx as *mut TaskContext;
let next_task_cx_ptr = &inner.tasks.task_cx as *const TaskContext;
drop(inner);
// before this, we should drop local variables that must be dropped manually
unsafe {
__switch(
current_task_cx_ptr,
next_task_cx_ptr,
);
}
// go back to user mode
} else {
panic!("All applications completed!");
}
}
}这里也是分为两部分:
[*]run_next_task是对TASK_MANAGER.run_next_task();的封装.
[*]对TaskManager结构体的run_next_task方法的实现.
[*]首先就是if let这种模式匹配写法,最开始没有掌握rust的开发技术,因此不懂.
[*]这时候查阅Rust圣经.关于if let的部分.
[*]当只需要进行一次匹配的时候就可以使用这个方法.
[*]使用匹配是为了解决用简单的 ==不能解决 复杂类型 匹配的情况.
[*]使用if let而不是match是为了解决只有None和非None两种情况的简单写法.
[*]查阅Rust圣经.关于Some的部分.
[*]Option枚举有两种可能
[*]Some代表有值,Some包裹的内容就是它的值
[*]一个在 定义 枚举类型的时候是 Some(T),T代表的是类型.Some(i32)就代表可以存储i32类型的值.
[*]在实例的时候Some(T)可以被实例化Some(3),就代表这个值存在且值为3.
[*]None代表没值
[*]因此这一段的结果意思是:
[*]如果self.find_next_task()的结果不是None,那么对应的返回值应该是Some(next).
[*]下面的逻辑里的next就是返回的Some()里包裹的next.代表 下一个任务的任务号 .
[*]随后获取TaskManager.inner的单线程可变借用.
[*]从上一步的结果中获取 当前任务.
[*]将 下一个任务 的状态改为 运行中 .
[*]把当前任务号改为 刚刚获取到的下一个任务号 .
[*]分别获取 当前和下一个 任务上下文.
[*]主动释放获取到的TaskManager.inner.
[*]因为如果不去主动释放要等函数运行结束才能继续访问这个TaskManager.inner里的内容.
[*]__switch需要操作TaskManager.inner里的task.task_cx的内容.
[*]使用 上一节实现的 __switch 完成任务栈切换,如果已经忘了可以回去看看.
可以看到find_next_task是一个重要的方法,它的实现是这样的:
// os/src/task/mod.rs
impl TaskManager {
fn find_next_task(&self) -> Option<usize> {
let inner = self.inner.exclusive_access();
let current = inner.current_task;
(current + 1..current + self.num_app + 1)
.map(|id| id % self.num_app)
.find(|id| {
inner.tasks[*id].task_status == TaskStatus::Ready
})
}
}它在获取TaskManager.inner的单线程可变借用之后对current_task为开头( 不包含它本身 )把整个数组看成一个 环形队列 然后逐个去 查询状态 , 直到找到 第一个 状态为准备的任务.
这里关于Rust语言,每次我们遇到不会了的,不是光把它搞懂,还要把它上一层的偏概念性的东西搞懂.
这里用到的就是 闭包 和 迭代器 的知识:
[*]迭代器跟 for 循环颇为相似，都是去遍历一个集合，但是实际上它们存在不小的差别，其中最主要的差别就是：是否通过索引来访问集合。
[*]Iterator Trait 的 map 方法: Rust中的迭代器（Iterator）有一个map方法，它接收一个闭包（closure），并将迭代器中的每个元素传递给这个闭包。map方法会生成一个新的迭代器，其中的元素是闭包返回的结果。
[*]迭代器有一个find方法，它接收一个闭包作为参数。该闭包定义了要查找的条件，当迭代器中的元素满足这个条件时，find方法就会返回一个Option类型的结果，其中包含找到的第一个匹配项或者None如果没有任何元素满足条件。
[*]闭包一种匿名函数，它可以赋值给变量也可以作为参数传递给其它函数，不同于函数的是，它允许捕获调用者作用域中的值.
[*]有点像是某种C里的 函数宏 ,用 do...while封装起来的这种.因此可以偷取别的作用域的变量来用.
这张图太好了:
第一次进入用户态
回想上一章,我们使用run_next_app调用了__restore调用sret回到用户态.
目前我们要第一次进入用户态应该也需要sret才可以.
但是思考一下上一章我们学到的__switch的实现,显然它是 不改变 特权级的.
因此第一次进入用户态还是要依赖__restore.
为了使用__restore则需要构建Trap上下文,把 上一节 实现的init_app_cx,移动到loader.rs:
// os/src/loader.rs
pub fn init_app_cx(app_id: usize) -> usize {
KERNEL_STACK.push_context(
TrapContext::app_init_context(get_base_i(app_id), USER_STACK.get_sp()),
)
}再给TaskContext构造一个 构建第一次执行任务的上下文 的方法:
// os/src/task/context.rs
impl TaskContext {
pub fn goto_restore(kstack_ptr: usize) -> Self {
extern "C" { fn __restore(); }
Self {
ra: __restore as usize,
sp: kstack_ptr,
s: ,
}
}
}在这个操作之中,
[*]传入了一个 内核栈指针 .
[*]使用如下内容构建一个 TaskContext.
[*]内核栈指针作为 任务上下文的栈指针 .
[*]__restore的函数地址作为 函数调用完毕返回地址 .也就是说 __switch的ret执行完毕之后执行__restore.
[*]空的s0~s12.
需要注意的是， __restore 的实现需要做出变化：它 不再需要 在开头 mv sp, a0 了。因为在 __switch 之后，sp 就已经正确指向了我们需要的 Trap 上下文地址。
然后在创建 TaskManager 的全局实例 TASK_MANAGER 的时候为 每个任务上下文 , 初始化为由如下内容组成的TaskContext:
[*]链接进去 的任务内存位置决定的 每个任务的内核栈指针 作为栈指针.
[*]__restore作为 函数调用完毕返回地址 .
[*]空的s0~s12.
为TaskContext构建一个 执行第一个任务 的方法:
impl TaskManager {
fn run_first_task(&self) -> ! {
let mut inner = self.inner.exclusive_access();
let task0 = &mut inner.tasks;
task0.task_status = TaskStatus::Running;
let next_task_cx_ptr = &task0.task_cx as *const TaskContext;
drop(inner);
let mut _unused = TaskContext::zero_init();
// before this, we should drop local variables that must be dropped manually
unsafe {
__switch(
&mut _unused as *mut TaskContext,
next_task_cx_ptr,
);
}
panic!("unreachable in run_first_task!");
}这段代码可以这样理解:
[*]获取 单线程的借用 .
[*]获取第一个 任务块的指针 .
[*]随后把这个任务设置为 运行状态 .
[*]获取这个任务的 上下文 .
[*]由于后续要使用__switch因此需要 主动释放 这个借用.
[*]使用__switch调用
[*]由zero_init构建的一个 全空 的上下文.
[*]第一个任务 的上下文.
这时候这个执行顺序有点乱了,我尝试画一个流程图.
首先是这章实现的结构体TaskManager的结构:
初始化 的流程为:
初始化后的TASK_MANAGER:
调用run_fist_app之后发生了什么:
这时候考虑APP发生挂起的时候会发生什么:
尝试构建本章实验
首先先看用户层的APP,回想对于用户层 有影响 的改动:
[*]实现yield接口以挂起应用程序.
[*]这里 注意 修改exit的实现并 不 影响用户层.
其实从 写代码的用户 来看对用户层没有任何影响的.
但是如果我们不调用yield我们怎么体现我们这章的内容呢?那不是还是 顺序执行 ?
"诶呦,这不是显得您枪法准吗?"------不执行yeild的应用程序
"不对啊,我是主角啊!"------协作式调度
创建APP
于是我们需要重新设计几个APP,而且可以在 执行耗时操作 之后主动使用yield释放CPU.
这里官方代码设计了00write_a.rs,01write_b.rs,02write_c.rs,三个APP.
分别用于打印HEIGHT行有WIDTH个的A,B和C.并且都调用了yield,用于挂起应用,这样和顺序执行相比就会有区别.
这里我们把原来的user/src/bin下的APP全部都移到user/src/temp下,然后在user/src/bin里创建如上三个文件.
实现用户层yield
和上一章一样,只要明白用户层的调用是套壳的就很容易写出来:
[*]约定调用号
[*]调用syscall
[*]封装成函数
在user/src/syscall.rs里完成 前两步 :
const SYSCALL_YIELD: usize = 124;
pub fn sys_yield() -> isize {
syscall(SYSCALL_YIELD, )
}这个传入的参数其实也很 暧昧 , 因为实际上这里这么写相当于 默认了 不需要传输其他参数到内核层.
.
这里理解为 只是一步挂起操作不需要更多信息 .
在user/src/lib.rs里完成 第三步:
pub fn yield_() -> isize {
sys_yield()
}编译APP
这时候进行编译,以得到.bin文件:
cd user
make clean
make build实现内核层的操作
syscall模块
对应用户层,真正执行用户层的指令的是内核层:
[*]对应约定好的调用号调用函数
[*]实现需要调用的函数
[*]修改sys_exit
[*]实现sys_yield
在os/src/syscall/mod.rs里完成 第一步 :
const SYSCALL_YIELD: usize = 124;
pub fn syscall(syscall_id: usize, args: ) -> isize {
match syscall_id {
SYSCALL_WRITE => sys_write(args, args as *const u8, args),
SYSCALL_EXIT => sys_exit(args as i32),
SYSCALL_YIELD => sys_yield(),
_ => panic!("Unsupported syscall_id: {}", syscall_id),
}
}在os/src/syscall/process.rs里完成 第二步:
use crate::task::{exit_current_and_run_next, suspend_current_and_run_next};
/// task exits and submit an exit code
pub fn sys_exit(exit_code: i32) -> ! {
println!(" Application exited with code {}", exit_code);
exit_current_and_run_next();
panic!("Unreachable in sys_exit!");
}
/// current task gives up resources for other tasks
pub fn sys_yield() -> isize {
suspend_current_and_run_next();
0
}这里调用的exit_current_and_run_next和suspend_current_and_run_next都需要在task模块里是实现.
task模块
回忆有关于task的冗杂的数据结构,我们全部都要在这个模块里实现.
[*]首先需要创建os/src/task文件夹
[*]在文件夹中创建context.rs用来实现数据结构TaskContext.
[*]储存如图上所示的上下文
[*]因为TaskContext在第一次初始化的时候需要, __swtich调用一个空的TaskContext和第一个任务的TaskContext进行切换
[*]实现一个生成 空结构 的方法
[*]实现一个 每个任务的初始化 方法
[*]在文件夹中创建task.rs实现枚举类型 TaskControlBlock用来保存单个任务信息.
[*]实现TaskStatus枚举任务状态
[*]用TaskContext保存任务上下文.
[*]封装__switch,实现上下文切换.
[*]在文件夹中创建mod.rs用来实现数据结构TaskManager
[*]储存num_app
[*]实现数据结构TaskManagerInner
[*]储存当前任务current_task
[*]实现数据结构TaskControlBlock,储存TaskControlBlock的数组tasks
[*]用UPSafeCell包裹TaskManagerInner
[*]它需要有几个功能,要实现成对应的方法:
[*]挂起/关闭任务
[*]挂起并执行下一个任务
[*]标记挂起
[*]寻找下一个任务
[*]执行下一个任务
[*]关闭并执行下一个任务
[*]标记关闭
[*]寻找下一个任务
[*]执行下一个任务
[*]执行 第一个 任务
[*]在mod.rs中懒初始化一个全局的TaskManager
context.rs
如上所述:
//! Implementation of [`TaskContext`]
/// Task Context
#
#
pub struct TaskContext {
/// return address ( e.g. __restore ) of __switch ASM function
ra: usize,
/// kernel stack pointer of app
sp: usize,
/// callee saved registers:s 0..11
s: ,
}
impl TaskContext {
/// init task context
pub fn zero_init() -> Self {
Self {
ra: 0,
sp: 0,
s: ,
}
}
/// set task context {__restore ASM funciton, kernel stack, s_0..12 }
pub fn goto_restore(kstack_ptr: usize) -> Self {
extern "C" {
fn __restore();
}
Self {
ra: __restore as usize,
sp: kstack_ptr,
s: ,
}
}
}这里需要注意的就是有类似于JAVA里的直接对象传递,深浅拷贝,C++的拷贝构造相关的东西.
这周复杂的结构体一定要使用#为它实现拷贝方法.# 是 Rust 语言中的一个属性宏，用于自动为结构体（struct）或枚举（enum）实现 Copy 和 Clone trait。
[*]Copy trait 表示类型的数据可以被复制，而不需要所有权转移。当一个值类型实现了 Copy，意味着你可以无需任何额外成本地将该值复制给另一个变量。这通常适用于简单的数据类型，如整数、浮点数等，因为它们的复制成本较低。
[*]Clone trait 则提供了一个 .clone() 方法，用于创建类型的一个副本。与 Copy 不同，Clone 可以用于更复杂的数据类型，包括那些包含指针或者需要较深拷贝的数据结构。使用 .clone() 方法会调用分配器，因此可能有额外的性能开销。
task.rs
如上所述:
//! Types related to task management
use super::TaskContext;
#
pub struct TaskControlBlock {
pub task_status: TaskStatus,
pub task_cx: TaskContext,
}
#
pub enum TaskStatus {
UnInit,
Ready,
Running,
Exited,
}switch.rs
如上所述,需要封装一个switch函数来保证在调用__switch时的自动上下文保存.
因此需要创建os/src/task/switch.rs和os/src/task/switch.S用以实现.
switch.rs内容,明确 指定 了传入的两个参数的指针类型:
use super::TaskContext;
use core::arch::global_asm;
global_asm!(include_str!("switch.S"));
extern "C" {
pub fn __switch(current_task_cx_ptr: *mut TaskContext, next_task_cx_ptr: *const TaskContext);
}switch.S内容,就是上一节讲的__switch函数:
.altmacro
.macro SAVE_SN n
sd s\n, (\n+2)*8(a0)
.endm
.macro LOAD_SN n
ld s\n, (\n+2)*8(a1)
.endm
.section .text
.globl __switch
__switch:
# __switch(
# current_task_cx_ptr: *mut TaskContext,
# next_task_cx_ptr: *const TaskContext
# )
# save kernel stack of current task
sd sp, 8(a0)
# save ra & s0~s11 of current execution
sd ra, 0(a0)
.set n, 0
.rept 12
SAVE_SN %n
.set n, n + 1
.endr
# restore ra & s0~s11 of next execution
ld ra, 0(a1)
.set n, 0
.rept 12
LOAD_SN %n
.set n, n + 1
.endr
# restore kernel stack of next task
ld sp, 8(a1)
ret因为每次调用__restore的时候已经由__switch把sp指向TrapContext了,因此需要去掉:
mv sp, a0在把它引用为一个函数时也要变化:
// 之前
extern "C" {
fn __restore(cx_addr: usize);
}
// 现在
extern "C" {
fn __restore();
}mod.rs
如上所述,实现这两个结构体:
pub struct TaskManager {
num_app: usize,
inner: UPSafeCell<TaskManagerInner>,
}
struct TaskManagerInner {
current_task: usize,
tasks: ,
}实现的方法:
impl TaskManager
{
fn run_first_task(&self) ->!
{
let mut inner = self.inner.exclusive_access();
let task0 = &mut inner.tasks;
task0.task_status = TaskStatus::Running;
let next_task_cx_ptr = &task0.task_cx as *const TaskContext;
let mut _unused = TaskContext::zero_init();
drop(inner);
unsafe
{
__switch(&mut _unused as *mut TaskContext, next_task_cx_ptr)
}
panic!("unreachable in run_first_task");
}
fn mark_current_suspended(&self)
{
let mut inner = self.inner.exclusive_access();
let current = inner.current_task;
inner.tasks.task_status = TaskStatus::Ready;
}
fn mark_current_exited(&self)
{
let mut inner = self.inner.exclusive_access();
let current = inner.current_task;
inner.tasks.task_status = TaskStatus::Exited;
}
fn find_next_task(&self) -> Option<usize>
{
let inner = self.inner.exclusive_access();
let current = inner.current_task;
(current + 1..current+1+self.num_app)
.map(|id| id%self.num_app)
.find(|id| inner.tasks[*id].task_status == TaskStatus::Ready)
}
fn run_next_task(&self)
{
if let Some(next) = self.find_next_task()
{
let mut inner = self.inner.exclusive_access();
let current = inner.current_task;
inner.current_task = next;
inner.tasks.task_status = TaskStatus::Running;
let current_task_cx_ptr = &mut inner.tasks.task_cx as *mut TaskContext;
let next_task_cx_ptr = &mut inner.tasks.task_cx as *const TaskContext;
drop(inner);
unsafe
{
__switch(current_task_cx_ptr, next_task_cx_ptr)
}
}
else
{
println!("All applications completed!");
shutdown(false);
}
}
}
lazy_static!
{
/// 全局单例的任务管理器
pub static ref TASK_MANAGER: TaskManager =
{
let num_app = get_num_app();
let mut tasks = [TaskControlBlock{
task_status: TaskStatus::UnInit,
task_cx: TaskContext::zero_init(),
}
; MAX_APP_NUM];
for(i,task) in tasks.iter_mut().enumerate()
{
task.task_cx = TaskContext::goto_restore(init_app_cx(i));
task.task_status = TaskStatus::Ready;
}
TaskManager
{
num_app,
inner: unsafe
{
UPSafeCell::new(TaskManagerInner
{
tasks,
current_task: 0,
})
}
}
};
}这里注意使用__switch之前一定要主动drop(inner).
懒初始化的单例对象:
lazy_static!
{
pub static ref TASK_MANAGER: TaskManager =
{
let num_app = get_num_app();
let mut tasks = [TaskControlBlock{
task_status: TaskStatus::UnInit,
task_cx: TaskContext::zero_init(),
}
; MAX_APP_NUM];
for(i,task) in tasks.iter_mut().enumerate()
{
task.task_cx = TaskContext::goto_restore(init_app_cx(i));
task.task_status = TaskStatus::Ready;
}
TaskManager
{
num_app,
inner: unsafe
{
UPSafeCell::new(TaskManagerInner
{
tasks,
current_task: 0,
})
}
}
};
}对这个单例对象的操作的封装:
pub fn run_first_task() {
TASK_MANAGER.run_first_task();
}
fn mark_current_suspended()
{
TASK_MANAGER.mark_current_suspended();
}
fn mark_current_exited()
{
TASK_MANAGER.mark_current_exited();
}
fn run_next_task()
{
TASK_MANAGER.run_next_task();
}
pub fn suspend_current_and_run_next()
{
mark_current_suspended();
run_next_task();
}
pub fn exit_current_and_run_next()
{
mark_current_exited();
run_next_task();
}修改Trap调用
因为现在已经没有run_next_app了只有新实现的suspend_current_and_run_next和exit_current_and_run_next.
因此把出现非法调用的切换APP的API修改为exit_current_and_run_next..
// use crate::loader::run_next_app;
#
/// handle an interrupt, exception, or system call from user space
pub fn trap_handler(cx: &mut TrapContext) -> &mut TrapContext {
let scause = scause::read(); // get trap cause
let stval = stval::read(); // get extra value
match scause.cause() {
Trap::Exception(Exception::UserEnvCall) => {
cx.sepc += 4;
cx.x = syscall(cx.x, , cx.x, cx.x]) as usize;
}
Trap::Exception(Exception::StoreFault) | Trap::Exception(Exception::StorePageFault) => {
println!(" PageFault in application, kernel killed it.");
exit_current_and_run_next();
}
Trap::Exception(Exception::IllegalInstruction) => {
println!(" IllegalInstruction in application, kernel killed it.");
exit_current_and_run_next();
}
_ => {
panic!(
"Unsupported trap {:?}, stval = {:#x}!",
scause.cause(),
stval
);
}
}
cx
}这里在查看参考代码的时候看到一个很好的操作,虽然参考代码是出现权限错误就直接报panic.
#
/// handle an interrupt, exception, or system call from user space
pub fn trap_handler(cx: &mut TrapContext) -> &mut TrapContext {
let scause = scause::read(); // get trap cause
let stval = stval::read(); // get extra value
match scause.cause() {
Trap::Exception(Exception::UserEnvCall) => {
cx.sepc += 4;
cx.x = syscall(cx.x, , cx.x, cx.x]) as usize;
}
Trap::Exception(Exception::StoreFault) | Trap::Exception(Exception::StorePageFault) => {
println!(" PageFault in application, bad addr = {:#x}, bad instruction = {:#x}, kernel killed it.", stval, cx.sepc);
panic!(" Cannot continue!");
//run_next_app();
}
Trap::Exception(Exception::IllegalInstruction) => {
println!(" IllegalInstruction in application, kernel killed it.");
panic!(" Cannot continue!");
//run_next_app();
}
_ => {
panic!(
"Unsupported trap {:?}, stval = {:#x}!",
scause.cause(),
stval
);
}
}
cx
}这里的:
println!(" PageFault in application, bad addr = {:#x}, bad instruction = {:#x}, kernel killed it.", stval, cx.sepc);sepc保存的是 发生异常的指令 .
stval保存的是了陷入（trap）的附加信息:
[*]地址例外中出错 的地址
[*]发生非法指令例外的指令本身
[*]对于其他异常，它的值为 0
有了这两个寄存器的硬件帮助,我们实现一些东西也变得简单了起来,这里可以用于完成 第二章 作业第五题.
修改main函数
把run_next_app改成run_first_task即可:
/// the rust entry-point of os
#
pub fn rust_main() -> ! {
extern "C" {
fn stext(); // begin addr of text segment
fn etext(); // end addr of text segment
fn srodata(); // start addr of Read-Only data segment
fn erodata(); // end addr of Read-Only data ssegment
fn sdata(); // start addr of data segment
fn edata(); // end addr of data segment
fn sbss(); // start addr of BSS segment
fn ebss(); // end addr of BSS segment
fn boot_stack_lower_bound(); // stack lower bound
fn boot_stack_top(); // stack top
}
clear_bss();
logging::init();
println!(" Hello, world!");
trace!(
" .text [{:#x}, {:#x})",
stext as usize,
etext as usize
);
debug!(
" .rodata [{:#x}, {:#x})",
srodata as usize, erodata as usize
);
info!(
" .data [{:#x}, {:#x})",
sdata as usize, edata as usize
);
warn!(
" boot_stack top=bottom={:#x}, lower_bound={:#x}",
boot_stack_top as usize, boot_stack_lower_bound as usize
);
error!(" .bss [{:#x}, {:#x})", sbss as usize, ebss as usize);
trap::init();
println!(" trap init end");
loader::load_apps();
task::run_first_task();
panic!("Unreachable in rust_main!");
}编译运行
make run运行结果:
RustSBI version 0.3.1, adapting to RISC-V SBI v1.0.0
.______ __ __ _______.___________._______..______ __
| _\ |||| / | | / || _\ ||
||_)| |||| | (----`---||----`| (----`||_)|||
| / |||| \ \ || \ \ | _< ||
||\\----.|`--'|.----) | ||.----) | ||_)|||
| _| `._____| \______/ |_______/ |__||_______/ |______/ |__|
Implementation : RustSBI-QEMU Version 0.2.0-alpha.2
Platform Name : riscv-virtio,qemu
Platform SMP : 1
Platform Memory : 0x80000000..0x88000000
Boot HART : 0
Device Tree Region : 0x87000000..0x87000f02
Firmware Address : 0x80000000
Supervisor Address : 0x80200000
pmp01: 0x00000000..0x80000000 (-wr)
pmp02: 0x80000000..0x80200000 (---)
pmp03: 0x80200000..0x88000000 (xwr)
pmp04: 0x88000000..0x00000000 (-wr)
Hello, world!
trap init end
AAAAAAAAAA
BBBBBBBBBB
CCCCCCCCCC
AAAAAAAAAA
BBBBBBBBBB
CCCCCCCCCC
AAAAAAAAAA
Test write_b OK!
Application exited with code 0
CCCCCCCCCC
AAAAAAAAAA
Test write_c OK!
Application exited with code 0
AAAAAAAAAA
Test write_a OK!
Application exited with code 0
All applications completed!
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