线程的创建

线程的创建

接下来，我们的第一个目标就是创建一个线程并且让他运行起来。一个线程要开始运行，需要这些准备工作：

• 建立页表映射，需要包括以下映射空间：
  • 线程所执行的一段指令
  • 线程执行栈
  • 操作系统的部分内存空间
• 设置起始执行的地址
• 初始化各种寄存器，比如 sp
• 可选：设置一些执行参数（例如 argc 和 argv等 ）

思考：为什么线程即便与操作系统无关，也需要在内存中映射操作系统的内存空间呢？

当发生中断时，需要跳转到 stvec 所指向的中断处理过程。如果操作系统的内存不在页表之中，将无法处理中断。

当然，也不是所有操作系统的代码都需要被映射，但是为了实现简便，我们会为每个进程的页表映射全部操作系统的内存。而由于这些页表都标记为内核权限（即 U 位为 0），也不必担心用户线程可以随意访问。

执行第一个线程

因为启动线程需要修改各种寄存器的值，所以我们又要使用汇编了。不过，这一次我们只需要对 interrupt.asm 稍作修改就可以了。

在 interrupt.asm 中的 __restore 标签现在就能派上用途了。原本这段汇编代码的作用是将之前所保存的 Context 恢复到寄存器中，而现在我们让它使用一个精心设计的 Context，就可以让程序在恢复后直接进入我们的新线程。

首先我们稍作修改，添加一行 mv sp, a0。原本这里是读取之前存好的 Context，现在我们让其从 a0 中读取我们设计好的 Context。这样，我们可以直接在 Rust 代码中调用 __restore(context)。

os/src/interrupt/interrupt.asm

__restore:
    mv      sp, a0  # 加入这一行
    # ...

那么我们需要如何设计 Context 呢？

• 通用寄存器
  • sp：应当指向该线程的栈顶
  • a0-a7：按照函数调用规则，用来传递参数
  • ra：线程执行完应该跳转到哪里呢？在后续系统调用章节我们会介绍正确的处理方式。现在，我们先将其设为一个不可执行的地址，这样线程一结束就会触发页面异常
• sepc
  • 执行 sret 指令后会跳转到这里，所以 sepc 应当存储线程的入口地址（执行的函数地址）
• sstatus
  • spp 位按照用户态或内核态有所不同
  • spie 位为 1

[info] sstatus 标志位的具体意义

• spp：中断前系统处于内核态（1）还是用户态（0）
• sie：内核态是否允许中断。对用户态而言，无论 sie 取何值都开启中断
• spie：中断前是否开中断（用户态中断时可能 sie 为 0）

硬件处理流程

• 在中断发生时，系统要切换到内核态。此时，切换前的状态会被保存在 spp 位中（1 表示切换前处于内核态）。同时，切换前是否开中断会被保存在 spie 位中，而 sie 位会被置 0，表示关闭中断。
• 在中断结束，执行 sret 指令时，会根据 spp 位的值决定 sret 执行后是处于内核态还是用户态。与此同时，spie 位的值会被写入 sie 位，而 spie 位置 1。这样，特权状态和中断状态就全部恢复了。

为何如此繁琐？

• 特权状态：
  中断处理流程必须切换到内核态，所以中断时需要用 spp 来保存之前的状态。
  回忆计算机组成原理的知识，sret 指令必须同时完成跳转并切换状态的工作。
• 中断状态：
  中断刚发生时，必须关闭中断，以保证现场保存的过程不会被干扰。同理，现场恢复的过程也必须关中断。因此，需要有以上两个硬件自动执行的操作。
  由于中断可能嵌套，在保存现场后，根据中断的种类，可能会再开启部分中断的使能。

设计好 Context 之后，我们只需要将它应用到所有的寄存器上（即执行 __restore），就可以切换到第一个线程了。

os/src/main.rs: rust_main()

extern "C" {
    fn __restore(context: usize);
}
// 获取第一个线程的 Context，具体原理后面讲解
let context = PROCESSOR.lock().prepare_next_thread();
// 启动第一个线程
unsafe { __restore(context as usize) };
unreachable!()

为什么 unreachable

我们直接调用的 __restore 并没有 ret 指令，甚至 ra 都会被 Context 中的数值直接覆盖。这意味着，一旦我们执行了 __restore(context)，程序就无法返回到调用它的位置了。注：直接 jump 是一个非常危险的操作。

但是没有关系，我们也不需要这个函数返回。因为开始执行第一个线程，意味着操作系统的初始化已经完成，再回到 rust_main() 也没有意义了。甚至原本我们使用的栈 bootstack，也可以被回收（不过我们现在就丢掉不管吧）。

在启动时不打开中断

现在，我们会在线程开始运行时开启中断，而在操作系统初始化的过程中是不应该有中断的。所以，我们删去之前设置「开启中断」的代码。

os/interrupt/timer.rs

/// 初始化时钟中断
///
/// 开启时钟中断使能，并且预约第一次时钟中断
pub fn init() {
    unsafe {
        // 开启 STIE，允许时钟中断
        sie::set_stimer();
        // （删除）开启 SIE（不是 sie 寄存器），允许内核态被中断打断
        // sstatus::set_sie();
    }
    // 设置下一次时钟中断
    set_next_timeout();
}

小结

为了执行一个线程，我们需要初始化所有寄存器的值。为此，我们选择构建一个 Context 然后跳转至 interrupt.asm 中的 __restore 来执行，用这个 Context 来写入所有寄存器。

思考

__restore 现在会将 a0 寄存器视为一个 *mut Context 来读取，因此我们在执行第一个线程时只需调用 __restore(context)。

那么，如果是程序发生了中断，执行到 __restore 的时候，a0 的值又是谁赋予的呢？