rCore-Tutorial-Book-v3学习笔记（三）

概述

第三个部分是实现一个分时多任务的系统，也就是能够在多个任务运行期间进行切换，让一个程序在等待IO时其他程序能执行而不是傻等。虽然和并行有点类似，但目前使用到的都只有一个CPU，任何时候都只有一个程序在执行。分时多任务有两种：一种是程序自己主动让出控制权，有点类似于编程语言中协程的概念；一种是由操作系统控制每个程序只能运行一个时间片，到时间了自动切换控制权，有点类似于Python中带了GIL锁的线程。由于第二种是在第一种的基础上建立的，所以这里主要展现的第二种。

内容

和上次相比：

把hello_world.c修改成了hello_world0.c、hello_world1.c和hello_world2.c三个文件，以hello_world0.c为例：
```
#include "user.h"

int main() {
    char *s = "Program[0] print0\n";
    isize w;
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        s[16] = (i % 10) + '0';
        write(FD_STDOUT, s);
        w = get_time() + 10;
        while (get_time() < w); // yield();
    }
    return 0;
}
```
每个程序都会输出自己的编号，相隔两次循环会阻塞自己一段时间，hello_world1.c阻塞的时间是20ms，hello_world2.c阻塞的时间是30ms。另外，因为程序比较少，所以没有像教程一样写一个用来编译的Python脚本，而是把链接脚本也分成三个，每个的起始地址不一样，makefile中分别用不同的链接脚本编译这三个文件。
把原来batch.c的一部分代码放在loader.c里，负责加载用户程序和初始化；新添加了管理任务的task.c，管理计时的timer.c和控制任务切换的汇编程序switch.S。

注意点不是很多，首先是几个硬编码的部分，如SIE寄存器的初始化，第五位为1开启内核态时钟中断：

    usize sie; asm volatile("csrr %0, sie":"=r"(sie));
    sie |= (1 << 5); asm volatile("csrw sie, %0"::"r"(sie));

读取时间寄存器，有一个专门的指令rdtime：

usize get_time() {
    usize timer; asm volatile("rdtime %0":"=r"(timer)); return timer;
}

scause寄存器的第63位（从0开始）为0表示当前异常是陷入，1表示当前异常是中断（用户态的系统调用属于陷入），后面的0-62位表示陷入或者中断的具体原因。对于中断，低位为5表示内核态时钟中断：

    if (scause == (1L << 63) + 5) {
        set_next_trigger();
        suspend_current_and_run_next();
        return cx;
    }

接着，为了更好的理解切换的过程，还是需要研究一下这个过程中sp寄存器的变化。同样，在程序最开始的时候，sp指向bootstack里，注意在本次任务中，每个用户程序各自拥有一个属于自己的用户栈和内核栈，所以初始化的时候init_app_cx就是给每个程序的内核栈压上TrapContext和TaskContext。

然后进入run_first_task，进入__switch，第二句是sd sp 0(a0)，这里有一点挺坑的，就是传给__switch的参数是一个“指针的指针”，就是说，TaskControlBlock里的task_cx_ptr属性存储的是指向TaskContext的指针，或者说是栈顶地址，而传入__switch的参数是指向这个属性的指针。

那么在上面这句汇编代码中，0(a0)解引用，就是把sp（或者说是前一个任务的栈顶地址）保存在这个属性里了，最后把0(a1)传给sp，就是跳转到另一个任务的栈里，对于第一次调用而言，就是在这里从bootstack跳到了第一个任务的内核栈，切换任务之后，sp指向了新任务的TrapContext，由于ra现在指向__restore，所以程序就会再走一遍__restore的流程，进入用户态。

另外，由于第一次调用__restore前sp就已经指向内核栈了，所以原来__restore的第一句mv sp, a0就应该去掉了。在上一部分还提到过一个内核栈重置的问题，当时是在运行完一个程序之后，要压入一个自定义的TrapContext，为了节省空间，就直接放到栈底了，而现在由于每个程序一个栈，在一个程序运行结束之后，这个栈就没有用了，同时task_cx_ptr和scratch又分别保存了当前程序的TaskContext和TrapContext地址，修改都是在对应位置，所以没有“重置栈”这一过程。

最后分析一下输出结果（设定每个程序运行的时间片是10ms，这里IO的时间和时间片相比基本可以忽略不计）：

Program[0] print0
Program[1] print0
Program[2] print0
Program[0] print1
Program[0] print2
Program[1] print1
Program[2] print1
Program[0] print3
Program[0] print4
Program[1] print2
Program[2] print2
Program[0] print5
Program[1] print3
Program[2] print3
Program[0] print6
Program[1] print4
Program[2] print4
Program[0] print7
Program[1] print5
Program[2] print5
Program[0] print8
Program[1] print6
Program[2] print6
Program[0] print9
Application exited with code 0
Program[2] print7
Program[1] print7
Program[1] print8
Program[2] print8
Program[1] print9
Program[2] print9
Application exited with code 0
Application exited with code 0

根据输出，画出的前120ms的程序运行情况如图所示：

绿色表示当前占有CPU的程序，箭头表示输出。可以发现不管各个程序休眠多长时间，都是轮流使用CPU，到点即换人。不过值得注意的是在输出结果中出现了程序0连续输出两行的情况，对应上图第40ms和第70ms的地方。而在第100ms则没有出现这一情况。这种情况是否发生取决于程序0休眠10ms后被唤醒准备进入内核态调用输出函数和10ms的时间片到达发生时钟中断这两个事件谁先谁后：

如果前者先，那么程序0进入内核态后时钟中断就不能发生了，必须等输出之后回到用户态才会发生中断，这样结合休眠前的输出，就会连着输出第二次；
如果后者先，那么在输出前控制权就被让出去了，必须等程序2和程序3都输出过后才能轮到程序0输出，这样就不会连着输出两次。

再比如，如果程序0在输出之后，获取当前时间之前让出了控制权，程序1和程序2输出后，程序0才获取时间，休眠10ms然后控制权又被程序1和程序2抢走了，那么就会出现程序0一时半会输出不了的情况。所以说即使是全程只有一个程序在运行，在任务切换的时候仍然可能无法预测的竞争问题，这里也是各种程序Bug的重灾区。

还有一个地方，就是我的输出没有出现教程那样混乱的情况，因为我打印字符串是直接将整个字符串提交到内核态，而一旦进入内核态就不会再收到时钟中断了，所以字符串都是完整输出。