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[rCore学习笔记 024]多道程序与协作式调度
2024-08-10 19:30:04极客资料围观24次
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: [usize; 3]) -> isize {
match syscall_id {
SYSCALL_WRITE => sys_write(args[0], args[1] as *const u8, args[2]),
SYSCALL_EXIT => sys_exit(args[0] 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: [usize; 3]) -> isize {
let mut ret: isize;
unsafe {
asm!(
"ecall",
inlateout("x10") args[0] => ret,
in("x11") args[1],
in("x12") args[2],
in("x17") id
);
}
ret
}
pub fn sys_write(fd: usize, buffer: &[u8]) -> isize {
syscall(SYSCALL_WRITE, [fd, buffer.as_ptr() as usize, buffer.len()])
}
pub fn sys_exit(exit_code: i32) -> isize {
syscall(SYSCALL_EXIT, [exit_code as usize, 0, 0])
}
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, [0, 0, 0])
}
// 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: [usize; 3]) -> 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[0], args[1] as *const u8, args[2]),
SYSCALL_EXIT => sys_exit(args[0] 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
#[derive(Copy, Clone, PartialEq)]
pub enum TaskStatus {
UnInit, // 未初始化
Ready, // 准备运行
Running, // 正在运行
Exited, // 已退出
}
#[derive]
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
#[derive(Copy, Clone)]
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: [TaskControlBlock; MAX_APP_NUM],
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[i].task_cx = TaskContext::goto_restore(init_app_cx(i));
tasks[i].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!("[kernel] 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!("[kernel] 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[current].task_status = TaskStatus::Ready;
}
fn mark_current_exited(&self) {
let mut inner = self.inner.borrow_mut();
let current = inner.current_task;
inner.tasks[current].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[next].task_status = TaskStatus::Running;
inner.current_task = next;
let current_task_cx_ptr = &mut inner.tasks[current].task_cx as *mut TaskContext;
let next_task_cx_ptr = &inner.tasks[next].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.
- 一个在 定义 枚举类型的时候是
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 .
- 如果
- 这时候查阅Rust圣经.关于
- 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.
- 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
- 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.
- 首先就是
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.
- 有点像是某种C里的 函数宏 ,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[app_id].push_context(
TrapContext::app_init_context(get_base_i(app_id), USER_STACK[app_id].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: [0; 12],
}
}
}
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[0];
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.
- 由
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:
标签:
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