linuxシステムカーネルフローの浅い分析

SJTUBEAR  オリジナル作品の転載は出典「Linuxカーネル分析」MOOC課程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000を明記してください
 
簡単なカーネルでlinuxのシステムスケジューリングをシミュレートします.コードは以下の通りです.

/*
 *  linux/mykernel/mymain.c
 *
 *  Kernel internal my_start_kernel
 *
 *  Copyright (C) 2013  Mengning
 *
 */
#include <linux/types.h>
#include <linux/string.h>
#include <linux/ctype.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/vmalloc.h>


#include "mypcb.h"

tPCB task[MAX_TASK_NUM];
tPCB * my_current_task = NULL;
volatile int my_need_sched = 0;

void my_process(void);


void __init my_start_kernel(void)
{
    int pid = 0;
    int i;
    /* Initialize process 0*/
    task[pid].pid = pid;
    task[pid].state = 0;/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    task[pid].task_entry = task[pid].thread.ip = (unsigned long)my_process;
    task[pid].thread.sp = (unsigned long)&task[pid].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];
    task[pid].next = &task[pid];
    /*fork more process */
    for(i=1;i<MAX_TASK_NUM;i++)
    {
        memcpy(&task[i],&task[0],sizeof(tPCB));
        task[i].pid = i;
        task[i].state = -1;
        task[i].thread.sp = (unsigned long)&task[i].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];
        task[i].next = task[i-1].next;
        task[i-1].next = &task[i];
    }
    /* start process 0 by task[0] */
    pid = 0;
    my_current_task = &task[pid];
    asm volatile(
        "movl %1,%%esp
\t"     /* set task[pid].thread.sp to esp */
        "pushl %1
\t"             /* push ebp */
        "pushl %0
\t"             /* push task[pid].thread.ip */
        "ret
\t"                 /* pop task[pid].thread.ip to eip */
        "popl %%ebp
\t"
        : 
        : "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp)    /* input c or d mean %ecx/%edx*/
    );
}   
void my_process(void)
{
    int i = 0;
    while(1)
    {
        i++;
        if(i%10000000 == 0)
        {
            printk(KERN_NOTICE "this is process %d -
",my_current_task->pid);
            if(my_need_sched == 1)
            {
                my_need_sched = 0;
                my_schedule();
            }
            printk(KERN_NOTICE "this is process %d +
",my_current_task->pid);
        }     
    }
}

これはkernelをシミュレートしたメインプログラムmymain.c/
linuxが起動すると、システムの初期化が完了し、mymain.cが実行を開始します.
my_をプロセスのアドレスは構造体のipに伝わり、ipをスタックしてretし、アドレスpopをeipに渡し、システムをmyprocessに導いて運転を開始する.
そのうちwhile 1はkernelの死循環を保証します.
1000000回実行ごとにグローバル変数my_をチェックneed_sche、my_を通ってプロセスの切り替えを行うにはschedule()を使用します.
my_に対してneed_scheの修正とmy_schedule()関数の具体的な実装はクロック中断におけるシミュレーションで行われる.

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RawBlameHistory   93 lines (86 sloc)  2.452 kb
/*
 *  linux/mykernel/myinterrupt.c
 *
 *  Kernel internal my_timer_handler
 *
 *  Copyright (C) 2013  Mengning
 *
 */
#include <linux/types.h>
#include <linux/string.h>
#include <linux/ctype.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/vmalloc.h>

#include "mypcb.h"

extern tPCB task[MAX_TASK_NUM];
extern tPCB * my_current_task;
extern volatile int my_need_sched;
volatile int time_count = 0;

/*
 * Called by timer interrupt.
 * it runs in the name of current running process,
 * so it use kernel stack of current running process
 */
void my_timer_handler(void)
{
#if 1
    if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1)
    {
        printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<
");
        my_need_sched = 1;
    } 
    time_count ++ ;  
#endif
    return;      
}

void my_schedule(void)
{
    tPCB * next;
    tPCB * prev;

    if(my_current_task == NULL 
        || my_current_task->next == NULL)
    {
        return;
    }
    printk(KERN_NOTICE ">>>my_schedule<<<
");
    /* schedule */
    next = my_current_task->next;
    prev = my_current_task;
    if(next->state == 0)/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
    {
        /* switch to next process */
        asm volatile(    
            "pushl %%ebp
\t"         /* save ebp */
            "movl %%esp,%0
\t"     /* save esp */
            "movl %2,%%esp
\t"     /* restore  esp */
            "movl $1f,%1
\t"       /* save eip */    
            "pushl %3
\t" 
            "ret
\t"                 /* restore  eip */
            "1:\t"                  /* next process start here */
            "popl %%ebp
\t"
            : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
            : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
        ); 
        my_current_task = next; 
        printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<
",prev->pid,next->pid);       
    }
    else
    {
        next->state = 0;
        my_current_task = next;
        printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<
",prev->pid,next->pid);
        /* switch to new process */
        asm volatile(    
            "pushl %%ebp
\t"         /* save ebp */
            "movl %%esp,%0
\t"     /* save esp */
            "movl %2,%%esp
\t"     /* restore  esp */
            "movl %2,%%ebp
\t"     /* restore  ebp */
            "movl $1f,%1
\t"       /* save eip */    
            "pushl %3
\t" 
            "ret
\t"                 /* restore  eip */
            : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
            : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
        );          
    }   
    return;    
}

千回の割り込みごとに,シミュレーションがプロセスを切り替えるのを見た.
現在の環境を保存し、新しいスタックを作成することで、プロセスの切り替えを完了します.
 
実験結果:

 
実験結果から,スタックを用いてプロセスのデータをカプセル化し,新しいスタックを確立して新しいプロセスを開くプロセスにより,プロセスを自由に切り替えることができることが分かった.
ret命令により、次のプロセスのeipヘッダアドレスをeipに割り当て、プロセスのスケジューリングを完了します!