Process OS(POS)
向勇 陈渝 李国良 任炬
2024年春季
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提纲
提高性能、简化开发、加强安全
增强进程管理和资源管理、提高性能、简化开发、加强安全
git clone https://github.com/rcore-os/rCore-Tutorial-v3.git cd rCore-Tutorial-v3 git checkout ch5 cd os make run
[RustSBI output] ... yield **************/ Rust user shell >>
操作系统启动shell后，用户可以在shell中通过敲入应用名字来执行应用。
shell
├── os ├── build.rs(修改：基于应用名的应用构建器) └── src ├── loader.rs(修改：基于应用名的应用加载器) ├── main.rs(修改) ├── mm(修改：为了支持本章的系统调用对此模块做若干增强)
├── os └── src ├── syscall ├── fs.rs(修改：新增 sys_read) ├── mod.rs(修改：新的系统调用的分发处理) └── process.rs（修改：新增 sys_getpid/fork/exec/waitpid） ├── task ├── manager.rs(新增：任务管理器，为上一章任务管理器功能的一部分) ├── mod.rs(修改：调整原来的接口实现以支持进程) ├── pid.rs(新增：进程标识符和内核栈的 Rust 抽象) ├── processor.rs(新增：处理器管理结构 ``Processor`` ，为上一章任务管理器功能的一部分) └── task.rs(修改：支持进程管理机制的任务控制块) └── trap ├── mod.rs(修改：对于系统调用的实现进行修改以支持进程系统调用)
应用角度
OS角度
/// 功能：当前进程 fork 出来一个子进程。 /// 返回值：对于子进程返回 0，对于当前进程则返回子进程的 PID /// syscall ID：220 pub fn sys_fork() -> isize;
/// 功能：将当前进程的地址空间清空并加载一个特定的可执行文件，返回用户态后开始它的执行。 /// 参数：path 给出了要加载的可执行文件的名字； /// 返回值：如果出错的话（如找不到名字相符的可执行文件）则返回 -1，否则不应该返回。 /// syscall ID：221 pub fn sys_exec(path: &str) -> isize;
/// 功能：当前进程等待一个子进程变为僵尸进程，回收其全部资源并收集其返回值。 /// 参数：pid 表示要等待的子进程的进程 ID，如果为 -1 的话表示等待任意一个子进程； /// exit_code 表示保存子进程返回值的地址，如果这个地址为 0 的话表示不必保存。 /// 返回值：如果要等待的子进程不存在则返回 -1；否则如果要等待的子进程均未结束则返回 -2； /// 否则返回结束的子进程的进程 ID。 /// syscall ID：260 pub fn sys_waitpid(pid: isize, exit_code: *mut i32) -> isize;
sys_read
sys_fork
sys_exec
sys_waitpid
4.2 核心数据结构 4.3 进程管理机制实现
在编译操作系统的过程中，会生成如下的 link_app.S 文件
3 _num_app: 4 .quad 15 #应用程序个数 7 ...... 9 _app_names: #app0的名字 10 .string "exit" 12 ...... 17 app_0_start: #app0的开始位置 18 .incbin "../user/target/riscv64gc-unknown-none-elf/release/exit" 19 app_0_end: #app0的结束位置
在加载器 loader.rs 中，分析 link_app.S 中的内容，并用一个全局可见的 只读 向量 APP_NAMES 来按照顺序将所有应用的名字保存在内存中，为通过 exec 系统调用创建新进程做好了前期准备。
APP_NAMES
4.1 应用的链接与加载支持
4.3 进程管理机制实现
进程抽象的对应实现是进程控制块 -- TCB TaskControlBlock
TaskControlBlock
pub struct TaskControlBlock { // immutable pub pid: PidHandle, // 进程id pub kernel_stack: KernelStack, // 进程内核栈 // mutable inner: UPSafeCell<TaskControlBlockInner>,//进程内部管理信息 }
pub struct TaskControlBlockInner { pub trap_cx_ppn: PhysPageNum, // 陷入上下文页的物理页号 pub base_size: usize, // 进程的用户栈顶 pub task_cx: TaskContext, // 进程上下文 pub task_status: TaskStatus, // 进程执行状态 pub memory_set: MemorySet, // 进程地址空间 pub parent: Option<Weak<TaskControlBlock>>, // 父进程控制块 pub children: Vec<Arc<TaskControlBlock>>, // 子进程任务控制块组 pub exit_code: i32, // 退出码 }
TaskManager
pub struct TaskManager { ready_queue: VecDeque<Arc<TaskControlBlock>>, // 就绪态任务控制块的链表 }
处理器管理结构 Processor 描述CPU 执行状态
Processor
pub struct Processor { current: Option<Arc<TaskControlBlock>>, // 在当前处理器上正在执行的任务 idle_task_cx: TaskContext, // 空闲任务 }
4.1 应用的链接与加载支持 4.2 核心数据结构
initproc
sys_exit
lazy_static! { pub static ref INITPROC: Arc<TaskControlBlock> = Arc::new( TaskControlBlock::new(get_app_data_by_name("initproc").unwrap())); } pub fn add_initproc() { add_task(INITPROC.clone()); }
TaskControlBlock::new
add_task
fork()
复制父进程内容并构造新的进程控制块
pub fn fork(self: &Arc<TaskControlBlock>) -> Arc<TaskControlBlock> {...}
0
fork
exec()
用新应用的 ELF 可执行文件中的代码和数据替换原有的应用地址空间中的内容
pub fn exec(&self, elf_data: &[u8]) {...}
暂停当前任务并切换到下一个任务
sys_yield
suspend_current_and_run_next
进程退出exit_current_and_run_next
exit_current_and_run_next
PROCESSOR
exit_code
等待子进程退出sys_waitpid
pub fn sys_read(fd: usize, buf: *const u8, len: usize) -> isize { c=sbi::console_getchar(); ...}
console_getchar
智商最高的白垩纪“伤齿龙” 操作系统 troodon
