内核栈

内核栈

为什么 / 怎么做

在实现内核栈之前，让我们先检查一下需求和我们的解决办法。

• 不是每个线程都需要一个独立的内核栈，因为内核栈只会在中断时使用，而中断结束后就不再使用。在只有一个 CPU 的情况下，不会有两个线程同时出现中断，所以我们只需要实现一个共用的内核栈就可以了。
• 每个线程都需要能够在中断时第一时间找到内核栈的地址。这时，所有通用寄存器的值都无法预知，也无法从某个变量来加载地址。为此，我们将内核栈的地址存放到内核态使用的特权寄存器 sscratch 中。这个寄存器只能在内核态访问，这样在中断发生时，就可以安全地找到内核栈了。

因此，我们的做法就是：

• 预留一段空间作为内核栈
• 运行线程时，在 sscratch 寄存器中保存内核栈指针
• 如果线程遇到中断，则从将 Context 压入 sscratch 指向的栈中（Context 的地址为 sscratch - size_of::<Context>()），同时用新的栈地址来替换 sp（此时 sp 也会被复制到 a0 作为 handle_interrupt 的参数）
• 从中断中返回时（__restore 时），a0 应指向被压在内核栈中的 Context。此时出栈 Context 并且将栈顶保存到 sscratch 中

实现

为内核栈预留空间

我们直接使用一个 static mut 来指定一段空间作为栈。

os/src/process/kernel_stack.rs

/// 内核栈
#[repr(align(16))]
#[repr(C)]
pub struct KernelStack([u8; KERNEL_STACK_SIZE]);

/// 公用的内核栈
pub static mut KERNEL_STACK: KernelStack = KernelStack([0; STACK_SIZE]);

在我们创建线程时，需要使用的操作就是在内核栈顶压入一个初始状态 Context：

os/src/process/kernel_stack.rs

impl KernelStack {
    /// 在栈顶加入 Context 并且返回新的栈顶指针
    pub fn push_context(&mut self, context: Context) -> *mut Context {
        // 栈顶
        let stack_top = &self.0 as *const _ as usize + size_of::<Self>();
        // Context 的位置
        let push_address = (stack_top - size_of::<Context>()) as *mut Context;
        unsafe {
            *push_address = context;
        }
        push_address
    }
}

修改 interrupt.asm

在这个汇编代码中，我们需要加入对 sscratch 的判断和使用。

os/src/interrput/interrupt.asm

__interrupt:
    # 因为线程当前的栈不一定可用，必须切换到内核栈来保存 Context 并进行中断流程
    # 因此，我们使用 sscratch 寄存器保存内核栈地址
    # 思考：sscratch 的值最初是在什么地方写入的？

    # 交换 sp 和 sscratch（切换到内核栈）
    csrrw   sp, sscratch, sp
    # 在内核栈开辟 Context 的空间
    addi    sp, sp, -36*8

    # 保存通用寄存器，除了 x0（固定为 0）
    SAVE    x1, 1
    # 将本来的栈地址 sp（即 x2）保存
    csrr    x1, sscratch
    SAVE    x1, 2

    # ...

以及事后的恢复：

os/src/interrupt/interrupt.asm

# 离开中断
# 此时内核栈顶被推入了一个 Context，而 a0 指向它
# 接下来从 Context 中恢复所有寄存器，并将 Context 出栈（用 sscratch 记录内核栈地址）
# 最后跳转至恢复的 sepc 的位置
__restore:
    # 从 a0 中读取 sp
    # 思考：a0 是在哪里被赋值的？（有两种情况）
    mv      sp, a0
    # 恢复 CSR
    LOAD    t0, 32
    LOAD    t1, 33
    csrw    sstatus, t0
    csrw    sepc, t1
    # 将内核栈地址写入 sscratch
    addi    t0, sp, 36*8
    csrw    sscratch, t0

    # 恢复通用寄存器
    # ...

小结

为了能够鲁棒地处理用户线程产生的异常，我们为线程准备好一个内核栈，发生中断时会切换到这里继续处理。

思考

在栈的切换过程中，会不会导致一些栈空间没有被释放，或者被错误释放的情况？