陳鐵 + 原創作品轉載請註明出處 + 《Linux內核分析》MOOC課程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000 ”。特別說明，所有代碼出自孟寧老師的mykernel，也許出於練習的目的有所修改，也可忽略。
學習的過程其實就是不斷的模仿，重複老師演示的內容，不斷地練習，直到成爲自己所能獨立表述的知識。自己實在很笨了，作業勉強完成，好在也算努力，花時間多些，畢竟是自己的辛苦學習的過程體現。所以擺出來給方家一笑，好歹也是自己學習的收穫。
一、 實驗用的是實驗樓環境，虛擬機環境如下：Linux d0c756f6c18a 3.13.0-30-generic #55-Ubuntu SMP Fri Jul 4 21:40:53 UTC 2014 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux。實驗開始使用簡單代碼，可以看見中斷調度演示。
cd LinuxKernel/linux-3.9.4 qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage |
二、將老師的代碼mypch.b,mymain.c,myinterrupt.c複製到mykernel目錄中。回到kernel目錄下：
make all qemu -kernel arch/x86/boot/bzImage |
就可以看到進程調度的過程在虛擬機中體現出來。以下截圖：
三、下面來分析一下代碼的執行過程，描述一下現代操作系統的工作機制。
1.在linux核心中爲了實現高效執行，大量使用了內聯彙編，所以在此先介紹一下內聯彙編的相關知識。（1）雖然現代編譯器優化代碼，但仍比不過手寫的彙編代碼；（2）有些平臺相關的指令必須手寫，在C語言中沒有等價的語法，例如x86是端口I/O。
gcc提供了一種擴展語法可以在C代碼中使用內聯彙編。最簡單的格式是__asm__("assembly code");，例如__asm__("nop");就只是執行一條空指令。執行多條彙編指令，則應該用\n\t將各條指令分隔開。
內聯彙編要和C的變量建立關聯，使用完整的內聯彙編格式：
__asm__(assembler template : output operands /* optional */ : input operands /* optional */ : list of clobbered registers /* optional */ );
這種格式由四部分組成，第一部分是彙編指令，第二部分和第三部分是約束條件，第二部分指示彙編指令的運算結果
要輸出到哪些C操作數中，C操作數應該是左值表達式，第三部分指示彙編指令需要從哪些C操作數獲得輸入，第四部分是在彙編指令中被修改過的寄存器列表，指示編譯器哪些寄存器的值在執行這條__asm__語句時會改變。後三個部分都是可選的，如果有就填寫，沒有就空着只寫個:號。
2.mypcb.h代碼如下：
/*
* linux/mykernel/mypcb.h
*
* Kernel internal PCB types
*
* Copyright (C) 2013 Mengning
*
*/
#define MAX_TASK_NUM 4 //定義系統執行的最大進程數。
#define KERNEL_STACK_SIZE 1024*8 //內核堆棧大小
/* CPU-specific state of this task */
struct Thread { //定義結構體Thread
unsigned long ip; //存儲指令指針和堆棧指針
unsigned long sp;
};
typedef struct PCB{ //結構體類型進程控制塊PCB
int pid; //進程id
volatile long state; /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */ //進程狀態
char stack[KERNEL_STACK_SIZE]; //進程堆棧
/* CPU-specific state of this task */
struct Thread thread;
unsigned long task_entry; //入口
struct PCB *next; //形成鏈表，下一個進程
}tPCB;
void my_schedule(void); //調度函數3.以下mymain.c主程序代碼
/*
* 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]; //定義進程數組
tPCB * my_current_task = NULL; //當前進程指針，從0號進程開始
volatile int my_need_sched = 0; //0號進程不需要調度
void my_process(void);
void __init my_start_kernel(void) //內核創建進程，從0號進程開始初始化
{
int pid = 0;
int i;
/* Initialize process 0*/
task[pid].pid = pid;
task[pid].state = 0;/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
//指令指針指向自己
task[pid].task_entry = task[pid].thread.ip = (unsigned long)my_process;
//堆棧指向定義的內核Stack
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++) //通過fork函數啓動更多的進程，本例0，1，2，3
{
//我們是簡單演示，此處直接複製0號進程的狀況作爲新的進程
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; //進程之間形成鏈表
task[i-1].next = &task[i];
}
/* start process 0 by task[0] */ //啓動0號進程
pid = 0;
my_current_task = &task[pid];
/*
內聯彙編，%0，%1代表輸入輸出部分的變量"c"代表ECX，"d"代表EDX，"=m"表示內存
%%reg表示寄存器。\n\t表示結束。
以下彙編代碼不難理解，就是爲了效率。構建起CPU的運行環境，啓動了0號進程。
*/
asm volatile(
"movl %1,%%esp\n\t" /* set task[pid].thread.sp to esp */
"pushl %1\n\t" /* push ebp */
"pushl %0\n\t" /* push task[pid].thread.ip */
"ret\n\t" /* pop task[pid].thread.ip to eip */
"popl %%ebp\n\t"
:
: "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp) /* input c or d mean %ecx/%edx*/
);
}
/*以下是我們的簡單進程所執行的代碼，用來讓人類知道CPU執行了哪個進程。實際上很多操作系統進程
只是在後臺執行，並不需要進行人機交互，但我們不要忽略了它們。
*/
void my_process(void)
{
int i = 0;
while(1)
{
i++;
if(i%10000000 == 0) //循環一千萬次，輸出一次進程id，主動調度，避免消息機制。
{
printk(KERN_NOTICE "this is process %d -\n",my_current_task->pid);
if(my_need_sched == 1)
{
my_need_sched = 0;
my_schedule();
}
printk(KERN_NOTICE "this is process %d +\n",my_current_task->pid);
}
}
}4.以下是myinterrupt.c的代碼及簡單說明：
/*
* 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; //時間計數已實現主動執行，我們的簡單代碼不接受輸入
/*
* 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
//計數1000次並且沒有切換進程就輸出一行提醒
if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1)
{
printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<\n");
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; //出錯處理
}
printk(KERN_NOTICE ">>>my_schedule<<<\n");
/* schedule */
next = my_current_task->next;
prev = my_current_task;
if(next->state == 0)/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
{
/* switch to next process */
//進程切換的關鍵代碼，主要工作和分析函數調用時基本相同，保存當前上下文
asm volatile(
"pushl %%ebp\n\t" /* save ebp */
"movl %%esp,%0\n\t" /* save esp */
"movl %2,%%esp\n\t" /* restore esp */
"movl $1f,%1\n\t" /* save eip */
"pushl %3\n\t"
"ret\n\t" /* restore eip */
"1:\t" /* next process start here */
"popl %%ebp\n\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<<<\n",prev->pid,next->pid);
}
else
{
next->state = 0;
my_current_task = next;
printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);
/* switch to new process */
//建立新的運行環境，開始從新的代碼行開始執行新的進程。
asm volatile(
"pushl %%ebp\n\t" /* save ebp */
"movl %%esp,%0\n\t" /* save esp */
"movl %2,%%esp\n\t" /* restore esp */
"movl %2,%%ebp\n\t" /* restore ebp */
"movl $1f,%1\n\t" /* save eip */
"pushl %3\n\t"
"ret\n\t" /* restore eip */
: "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
: "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
);
}
return;
}四、實驗總結，老師簡化的代碼還不難理解，但要自己編寫還沒有這個本事，所以直接抄下來自己理解一下，執行的過程沒有出現報錯。雖然是簡化代碼，但對於理解操作系統的工作機制還是很有幫助的。首先是內核的自舉，畢竟所有的程序都不過是內存中的代碼，內核不過是認爲指定了特權，0號進程，開始運行，自己建立自己所需要的環境。其次，操作系統畢竟是爲實際的程序服務的，接下來就要負責創建其他進程執行環境、資源分配，採用鏈表機制切換到新進程，並且執行。最後，內核要負責管理進程的狀態，利用中斷機制實現進程切換，控制程序的執行。總之，操作系統所作的就是中斷上下文的處理和進程切換上下文的處理。