【README】

1.本文内容总结自 B站 《操作系统-哈工大李治军老师》，内容非常棒，墙裂推荐；

【说明】

• 本文中提到的父线程可以理解为父进程
• 因为进程包括运行资源和执行指令，又执行指令表示为线程，所以也可以说 进程包括 运行资源和线程；
• 在执行指令或代码层面，可以理解进程与线程类似（但线程切换成本更低，这是他们的很大区别）；

2.进程包括资源与执行序列，其中执行序列用线程来实现，线程分为用户线程和内核线程；进程中的资源管理主要是内存管理；
3.线程在操作系统的代码实现： 通过内核级代码 加上 内存管理代码 ；

【补充】线程切换步骤：

• 1.    用户栈切换到内核栈；
• 2.    内核栈找到tcb（线程控制块）；
• 3.    Tcb切换到其他线程的tcb2；
• 4.    通过tcb2找到内核栈2；
• 5.    通过内核栈2切换到用户栈2；

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【1】进入内核

1） fork：

• 是一个系统调用，用于创建进程，即创建资源和执行序列，其中创建执行序列就是创建线程；

2 ）fork代码的工作：

• 工作1）线程怎么切换的；即 切换五段论 怎么具体实现的；
• 工作2）创建一个内核线程需要做哪些事情？

切换五段论参见  8.内核级线程（核心级线程）_PacosonSWJTU的博客-CSDN博客

 3）具体代码
fork系统调用会展开为 

mov %eax, __NR_fork ; // 把系统调用号 __NR_fork 送入 eax寄存器；
INT 0x80 ； // 触发80号中断；
Mov res, %eax；// 中断处理完成后执行的下一条指令； 

例：__NR_write 是系统调用号，用来标识是哪种系统调用；

 4）Int0x80 中断指令发起后，cpu做以下事情

• 找到当前线程的内核栈；
• 压入当前线程的物理寄存器ss，sp到内核栈；
• 压入当前线程的物理寄存器cs，ip到内核栈；

5）Int80的中断处理函数是 system_call 系统调用；

• 在执行 system_fork（system_read或system_write）过程中， 碰到磁盘读写等情况，需要阻塞以等待，操作系统就会从当前内核线程 切换到 其他内核线程去执行；

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【2】切换五段论

【2.1】切换五段论中的中断入口和出口

1）内核栈的内容：存储了用户态所有物理寄存器的值；

 

2）系统调用 _system_call 源码

_system_call: Push %ds..%fs  // 把用户态的物理寄存器值压入到内核栈； Pushl %edx  // 把用户态的物理寄存器值压入到内核栈； Call sys_fork  // 通过系统调用号查询系统调用表，获取系统调用函数是 sys_fork  ；系统调用如 sys_fork ，sys_write，sys_read 因读写磁盘可能导致当前线程阻塞，操作系统就会切换到其他内核线程执行； Pushl %eax  //  把 eax寄存器值压入内核栈；

Movl _current, %eax // _current 就是 tcb 线程控制块，送入eax寄存器； Cmpl $0,state(%eax) // 判断pcb.state是否等于0；（不等于0表示当前线程阻塞，0表示就绪） Jne reschedule  // 不等于0，则重新执行线程调度算法reschedule（切换到其他内核线程与内核栈，或五段论的中间三段）   Cmpl $0, counter(%eax) // pcb.counter 时间片是否等于0； je reschedule // 时间片等于0，即时间片用光了，也要切换到其他内核线程 ret_from_sys_call:  // 中断返回（系统调用返回地址）

3）reschedule 线程调度算法（五段论中的三段），切换到其他内核线程

Pushl $ret_from_sys_call // 把中断返回地址，或系统调用返回地址压入到内核栈； 
Jmp _schedule //  调度函数  

 【补充】

• schedule 执行完成后，一定要执行  ret_from_sys_call  进行中断返回；

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【2.2】切换五段论中的 schedule 和 中断出口

1）中断入口是 push；中断出口是 pop；

2）Ret_from_sys_call: 中断返回代码（系统调用返回函数代码）；

Popl %eax // 返回值   Popl %ebx  
Pop %fs 
Iret // 内核栈所有寄存器值弹出到物理寄存器，实现线程切换； 

3）void schedule: 线程切换调度

调用 switch_to(next)

void schedule(void)
{Next = I; // 找到下一个线程的tcbSwitch_to(next);  // 切换
}

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【2.3】 切换五段论中的 switch_to（切换tss）

1）tss定义: task struct segment，任务结构段，用任务结构段进行切换；
tss 保存了线程的所有寄存器值；如下图所示。

2）基于tss的切换 变为 基于 kernel stack（内核栈）；
tss 用一句长跳转指令 ljmp %0 完成切换，其中长跳转指的是跳转到其他段，但ljmp指令执行慢，所以需要转换到 内核栈切换；

• tss是一个段，GDT中存在段描述符项，指向tss段基址；如GDT的原TSS描述符指向原TSS；

3）TR寄存器

• 用 TR选择子（TR寄存器值） 从 GDT中找到 TSS描述符，进而找到TSS段；
• 长跳转指令 ljmp，指的是段与段之间的跳转，实际上是段寄存器值变化，即GDT中新TSS段描述符赋值给 TR寄存器，其中新TSS段描述符由 _TSS(n) 赋值，_TSS(n)中的n是上文中的next指针，是下一个线程的“段寄存器基址CS”；

4）TR寄存器存储的是当前cpu的任务段

• TR寄存器值指向了 GDT表的一个tss描述符，通过tss描述符可以定位到tss结构体的内存地址，tss结构体存储了所有物理寄存器的值（快照）；
• 只要TR改变，则cpu载入的tss（任务结构段）也会跟着切换，因为cpu中物理寄存器被tss中逻辑寄存器值快照覆写了，即内核线程跟着切换；

【补充】ljmp 长跳转指令

• 步骤1）把cpu所有寄存器的内容送入TSS任务结构段中（拍寄存器快照），TSS任务结构段通过TR寄存器值查询GDT得到TSS描述符，TSS描述符映射到TSS任务结构段地址；
• 步骤2）把 _TSS(n) 赋值给 TR 寄存器（新的TSS描述符地址）；
• 步骤3）通过TR选择子，寻址GDT得到新TSS描述符，进而映射得到新TSS；
• 步骤4）把 新TSS里的内容 送入对应的cpu寄存器（重写物理寄存器内容）；

简单点：TSS是一个结构体，存储在内存，可以存储所有cpu物理寄存器的值；也可以把TSS结构体数据赋值到cpu物理寄存器；

5）cpu物理寄存器举例

EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EDI, EBP, ESP, EIP, EFLAGS, CR3 等； 其中 ESP被替换为TSS的对应值，完成栈切换；

6）tss 是 pcb的一个子段，pcb的一个部分

• 或  tss 是 pcb结构体中的一个内嵌结构体元素；  
• 根据pcb 找到tss，根据tss找到 并切换esp ；

【问题】
因为 ljmp %0 是个复杂的汇编命令，无法利用指令流水提高执行速度，执行速度慢；
所以把基于tss的线程切换模式 转为  基于 内核栈（kernel stack）的线程切换模式；

【基于tss的线程切换小结】共3句代码：

• 1）    int 0x80
• 2）    switch_to 中的 ljmp // 长跳转
• 3）    iret

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【3】fork创建线程

0）创建线程：sys_fork；

• 调用 call  _copy_process ;

【3.1】 _copy_process 创建栈

1）call  _copy_process：创建栈

int copy_process(int nr, long ebp, long edi, long esi, long gs, long none, ….) 
// 各个寄存器值

2）在父线程创建子线程前，父线程会把用户态的物理寄存器值压入内核栈；如下。

• 有了内核栈，就可以创建出与父线程差不多的子线程了；内核栈元素就作为了 copy_process的方法参数。

 补充：内核栈：

SS:SP // 栈底

EFLAGS

ret=??1  // 赋值给 eip ；是父线程触发中断 int 0x80指令的下一句指令；

ds,es,fs  //

edx, ecx, ebx

??2

gs

esi,edi

ebp

eax

??4

3）copy_process 创建栈细节

p=(struct task_struct *) get_free_page();	// 获得一页内存，是内核态代码；而malloc是用户态代码；这一页内存用来做pcb；	申请内存
p->tss.esp0=PAGE_SIZE+(long)p;	esp0是内核栈； PAGE_SIZE=4k； P是这一页内存初始地址，基址； （示意图如上）	创建内核栈
p->tss.ss0= 0x10;	0x10 表示内核数据段； ss0是内核堆栈段；
p->tss.ss=ss & 0xffff	父线程用户栈的ss	创建用户栈
P->tss.esp=esp;	父线程用户栈的esp

【补充】

• 创建的新线程，其用户栈与父线程是同一个，但内核栈不同；
• 创建的新线程，有自己的 tcb，在内核中是分开的；

mem_map：把内存拆分为单位为4k的存储块，每个存储块叫做一页（mem_map中等于0的元素）；

【总结】 copy_process 的细节：创建栈步骤：

• 创建tcb；
• 创建内核栈；
• 创建用户栈；
• 关联栈和tcb；

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【3.2】copy_process 细节-执行前准备

1）具体步骤：

• 把内核栈的寄存器值，赋值给tss结构体；
• tss修改后，cpu载入tss覆写了物理寄存器，寄存器值修改，如cs，ip等，则下一条要执行的指令就修改了，达到线程切换的效果；

 【小结】父线程创建子线程后切换到子线程的过程

• 1）    父线程 执行完 sys_fork 创建完子线程后；继续向下执行；
• 2）    执行到  cmpl $0, state(%eax); 又父线程状态阻塞，则进入 reschedule ；
• 3）    进入 reschedule，就会进入switch_to 切换到子线程；switch_to执行具体步骤如下：
  1. 父线程把物理寄存器值快照保存到原tss结构体，tss保存所有寄存器值；
  2. 用新tss描述符赋值给TR寄存器，从而TR寄存器指向新tss结构体；
  3. Cpu通过TR寄存器寻址到新的tss结构体，并把新tss载入到cpu寄存器，从而切换到子线程；其中eip是指令int 0x80的内存地址；又 eax等于0，执行 mov res, %eax，则res等于0； 即 子线程fork()函数返回0；

上述汇编代码执行过程截图如下：

 

 2）补充：

• 对于父线程而言，eax寄存器值不等于0；
• 对于子线程而言， eax寄存器值等于0 ；
• 从而达到把父子线程分开的目的（fork-分叉）；

 （截图自操作系统接口）

代码描述：

• While循环中， fork()返回值等于0，则表示是子线程，执行 exec(…)；
• fork() 返回值不等于0，则表示是父线程，执行 wait();

【小结2】 父线程创建子线程步骤

• 1）tss做好了，可以完成线程切换；
• 2）用户栈，子线程与父线程用同一个；
• 3）内核栈，为子线程新创建一个内核栈，父子线程各自用各自的内核栈；
• 4）关联父线程用户栈与子线程的内核栈；

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【4】利用新建子线程运行业务代码

0）问题：

• 如何利用新建的子线程执行业务代码 ，如指针A 表示的是 业务代码的首地址；

2） main 函数代码：

if(!fork()) {exec(cmd);
} else wait(0); 
//  !fork() 表示返回为0，即子线程时，执行exec(cmd); // 业务代码 

 3）exec 系统调用执行细节

• 3.1） fork后 ，在子线程进入内核态之前，父线程与子线程执行的代码是相同的；
• 3.2） 但子线程调用 exec，接着调用 sys_execve系统调用后，进入内核态；执行内核代码结束后，子线程从内核态返回，或从0x80中断返回时，执行 ls->entry  入口程序；而 ls->entry入口程序地址是由 iret指令 把子线程内核栈的eip元素值弹出覆写 ip物理寄存器，从而修改pc寄存器值得到的；

3）通过 exec 系统调用 进入内核态 

_system_call:Push %ds .. %fs Pushl %eax Call sys_execve _sys_execve:// 把 %esp + EIP 的值赋值给 eax寄存器，又EIP偏移量28；Lea EIP(%esp), %eax; // 把 eax寄存器值压栈，即把EIP的地址（即内核栈28号元素的地址）压栈；// 作为 do_execve的方法参数；  Pushl %eax; // 调用 do_execve方法  Call _do_execve EIP = 0x1C  // 寻址内核栈下标28的元素 （ret=??1）

代码解说：

// 程序入口地址 赋值给 eip；
// 完成了把 ls->entry 程序入口地址赋值给eip寄存器（逻辑上，非物理）的工作；
eip[0] = ex.a_entry; // 线程tcb起始地址 赋值给SP堆栈指针寄存器； 
eip[3]=p; 

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【总结】线程切换（非常重要*）

1）演示图

2）线程切换步骤：

• Step1）用户栈通过int0x80展开为系统调用 sys_call，调用系统调用，进入内核栈；
• Step2）通过内核栈的esp元素找到tcb；
• Step3） tcb通过 switch_to 切换到其他线程的tcb2，切换到其他线程的内核栈2；
• Step4）用 iret 把内核栈2的寄存器值弹出，切换到用户栈2；