实验执行流程概述

实验执行流程概述

lab2和lab3完成了对内存的虚拟化，但整个控制流还是一条线串行执行。lab4将在此基础上进行CPU的虚拟化，即让ucore实现分时共享CPU，实现多条控制流能够并发执行。从某种程度上，我们可以把控制流看作是一个内核线程。本次实验将首先接触的是内核线程的管理。内核线程是一种特殊的进程，内核线程与用户进程的区别有两个：内核线程只运行在内核态而用户进程会在在用户态和内核态交替运行；所有内核线程直接使用共同的ucore内核内存空间，不需为每个内核线程维护单独的内存空间而用户进程需要维护各自的用户内存空间。从内存空间占用情况这个角度上看，我们可以把线程看作是一种共享内存空间的轻量级进程。

为了实现内核线程，需要设计管理线程的数据结构，即进程控制块（在这里也可叫做线程控制块）。如果要让内核线程运行，我们首先要创建内核线程对应的进程控制块，还需把这些进程控制块通过链表连在一起，便于随时进行插入，删除和查找操作等进程管理事务。这个链表就是进程控制块链表。然后在通过调度器（scheduler）来让不同的内核线程在不同的时间段占用CPU执行，实现对CPU的分时共享。那lab4中是如何一步一步实现这个过程的呢？

我们还是从lab4/kern/init/init.c中的kern_init函数入手分析。在kern_init函数中，当完成虚拟内存的初始化工作后，就调用了proc_init函数，这个函数完成了idleproc内核线程和initproc内核线程的创建或复制工作，这也是本次实验要完成的练习。idleproc内核线程的工作就是不停地查询，看是否有其他内核线程可以执行了，如果有，马上让调度器选择那个内核线程执行（请参考cpu_idle函数的实现）。所以idleproc内核线程是在ucore操作系统没有其他内核线程可执行的情况下才会被调用。接着就是调用kernel_thread函数来创建initproc内核线程。initproc内核线程的工作就是显示“Hello World”，表明自己存在且能正常工作了。

调度器会在特定的调度点上执行调度，完成进程切换。在lab4中，这个调度点就一处，即在cpu_idle函数中，此函数如果发现当前进程（也就是idleproc）的need_resched置为1（在初始化idleproc的进程控制块时就置为1了），则调用schedule函数，完成进程调度和进程切换。进程调度的过程其实比较简单，就是在进程控制块链表中查找到一个“合适”的内核线程，所谓“合适”就是指内核线程处于“PROC_RUNNABLE”状态。在接下来的switch_to函数(在后续有详细分析，有一定难度，需深入了解一下)完成具体的进程切换过程。一旦切换成功，那么initproc内核线程就可以通过显示字符串来表明本次实验成功。

接下来将主要介绍了进程创建所需的重要数据结构--进程控制块 proc_struct，以及ucore创建并执行内核线程idleproc和initproc的两种不同方式，特别是创建initproc的方式将被延续到实验五中，扩展为创建用户进程的主要方式。另外，还初步涉及了进程调度（实验六涉及并会扩展）和进程切换内容。