设计关键数据结构 -- 进程控制块

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2023-12-01

设计关键数据结构 -- 进程控制块

在实验四中，进程管理信息用struct proc_struct表示，在kern/process/proc.h中定义如下：

struct proc_struct {
    enum proc_state state; // Process state
    int pid; // Process ID
    int runs; // the running times of Proces
    uintptr_t kstack; // Process kernel stack
    volatile bool need_resched; // need to be rescheduled to release CPU?
    struct proc_struct *parent; // the parent process
    struct mm_struct *mm; // Process's memory management field
    struct context context; // Switch here to run process
    struct trapframe *tf; // Trap frame for current interrupt
    uintptr_t cr3; // the base addr of Page Directroy Table(PDT)
    uint32_t flags; // Process flag
    char name[PROC_NAME_LEN + 1]; // Process name
    list_entry_t list_link; // Process link list
    list_entry_t hash_link; // Process hash list
};

下面重点解释一下几个比较重要的成员变量：

● mm：内存管理的信息，包括内存映射列表、页表指针等。mm成员变量在lab3中用于虚存管理。但在实际OS中，内核线程常驻内存，不需要考虑swap page问题，在lab5中涉及到了用户进程，才考虑进程用户内存空间的swap page问题，mm才会发挥作用。所以在lab4中mm对于内核线程就没有用了，这样内核线程的proc_struct的成员变量*mm=0是合理的。mm里有个很重要的项pgdir，记录的是该进程使用的一级页表的物理地址。由于*mm=NULL，所以在proc_struct数据结构中需要有一个代替pgdir项来记录页表起始地址，这就是proc_struct数据结构中的cr3成员变量。

● state：进程所处的状态。

● parent：用户进程的父进程（创建它的进程）。在所有进程中，只有一个进程没有父进程，就是内核创建的第一个内核线程idleproc。内核根据这个父子关系建立一个树形结构，用于维护一些特殊的操作，例如确定某个进程是否可以对另外一个进程进行某种操作等等。

● context：进程的上下文，用于进程切换（参见switch.S）。在 uCore中，所有的进程在内核中也是相对独立的（例如独立的内核堆栈以及上下文等等）。使用 context 保存寄存器的目的就在于在内核态中能够进行上下文之间的切换。实际利用context进行上下文切换的函数是在kern/process/switch.S中定义switch_to。

● tf：中断帧的指针，总是指向内核栈的某个位置：当进程从用户空间跳到内核空间时，中断帧记录了进程在被中断前的状态。当内核需要跳回用户空间时，需要调整中断帧以恢复让进程继续执行的各寄存器值。除此之外，uCore内核允许嵌套中断。因此为了保证嵌套中断发生时tf 总是能够指向当前的trapframe，uCore 在内核栈上维护了 tf 的链，可以参考trap.c::trap函数做进一步的了解。

● cr3: cr3 保存页表的物理地址，目的就是进程切换的时候方便直接使用 lcr3实现页表切换，避免每次都根据 mm 来计算 cr3。mm数据结构是用来实现用户空间的虚存管理的，但是内核线程没有用户空间，它执行的只是内核中的一小段代码（通常是一小段函数），所以它没有mm 结构，也就是NULL。当某个进程是一个普通用户态进程的时候，PCB 中的 cr3 就是 mm 中页表（pgdir）的物理地址；而当它是内核线程的时候，cr3 等于boot_cr3。而boot_cr3指向了uCore启动时建立好的饿内核虚拟空间的页目录表首地址。

● kstack: 每个线程都有一个内核栈，并且位于内核地址空间的不同位置。对于内核线程，该栈就是运行时的程序使用的栈；而对于普通进程，该栈是发生特权级改变的时候使保存被打断的硬件信息用的栈。uCore在创建进程时分配了 2 个连续的物理页（参见memlayout.h中KSTACKSIZE的定义）作为内核栈的空间。这个栈很小，所以内核中的代码应该尽可能的紧凑，并且避免在栈上分配大的数据结构，以免栈溢出，导致系统崩溃。kstack记录了分配给该进程/线程的内核栈的位置。主要作用有以下几点。首先，当内核准备从一个进程切换到另一个的时候，需要根据kstack 的值正确的设置好 tss （可以回顾一下在实验一中讲述的 tss 在中断处理过程中的作用），以便在进程切换以后再发生中断时能够使用正确的栈。其次，内核栈位于内核地址空间，并且是不共享的（每个线程都拥有自己的内核栈），因此不受到 mm 的管理，当进程退出的时候，内核能够根据 kstack 的值快速定位栈的位置并进行回收。uCore 的这种内核栈的设计借鉴的是 linux 的方法（但由于内存管理实现的差异，它实现的远不如 linux 的灵活），它使得每个线程的内核栈在不同的位置，这样从某种程度上方便调试，但同时也使得内核对栈溢出变得十分不敏感，因为一旦发生溢出，它极可能污染内核中其它的数据使得内核崩溃。如果能够通过页表，将所有进程的内核栈映射到固定的地址上去，能够避免这种问题，但又会使得进程切换过程中对栈的修改变得相当繁琐。感兴趣的同学可以参考 linux kernel 的代码对此进行尝试。

为了管理系统中所有的进程控制块，uCore维护了如下全局变量（位于kern/process/proc.c）：

● static struct proc *current：当前占用CPU且处于“运行”状态进程控制块指针。通常这个变量是只读的，只有在进程切换的时候才进行修改，并且整个切换和修改过程需要保证操作的原子性，目前至少需要屏蔽中断。可以参考 switch_to 的实现。

● static struct proc *initproc：本实验中，指向一个内核线程。本实验以后，此指针将指向第一个用户态进程。

● static list_entry_t hash_list[HASH_LIST_SIZE]：所有进程控制块的哈希表，proc_struct中的成员变量hash_link将基于pid链接入这个哈希表中。

● list_entry_t proc_list：所有进程控制块的双向线性列表，proc_struct中的成员变量list_link将链接入这个链表中。