你的位置:首页 > 操作系统

[操作系统]xv6中存储cpu和进程信息的技巧


xv6是一个支持多处理器的Unix-like操作系统,

近日阅读源码时发现xv6在记录当前CPU和进程状态时非常tricky

 

首先,上代码:

 1 extern struct cpu cpus[NCPU]; 2 extern int ncpu; 3  4 // Per-CPU variables, holding pointers to the 5 // current cpu and to the current process. 6 // The asm suffix tells gcc to use "%gs:0" to refer to cpu 7 // and "%gs:4" to refer to proc. seginit sets up the 8 // %gs segment register so that %gs refers to the memory 9 // holding those two variables in the local cpu's struct cpu.10 // This is similar to how thread-local variables are implemented11 // in thread libraries such as Linux pthreads.12 extern struct cpu *cpu asm("%gs:0");    // &cpus[cpunum()]13 extern struct proc *proc asm("%gs:4");   // cpus[cpunum()].proc

 

其中struct cpu是一个用来保存每个cpu运行状态的结构体,

代码第一行定义了结构体数组cpus[NCPU],NCPU对应cpu的总数(最大为8),也就是说cpus用来存储所有cpu的运行状态

 

那么问题来了:上面的内核代码是运行于每个cpu之中的,那每个cpu如何知道自身的当前运行状态呢?

对于这个问题,我们可以通过lapic获取cpu自身编号,再利用编号对cpus寻址即可,

也就是说,对于任意一个cpu,自身状态的存储位置可以这样获得: struct cpu *c = &cpus[cpunum()]; 

 

然而,第二个问题来了:我们不可能每次引用cpu自身状态时都通过lapic获取编号啊,能不能弄一个全局变量把状态位置一次性存储下来呢?

像是这样, struct cpu *cpu; //全局变量,存储cpu自身状态 ,然后在初始化代码中 cpu = c ;

对于记录每个cpu正在运行的进程也有这样的问题,能不能写成: struct proc *proc; //全局变量,存储当前cpu正在运行的进程状态 

 

那么,第三个问题来了:每个cpu是独立并行的,在每个cpu上运行的内核代码都是一样的,页表也一样,

这意味着全局变量cpu和proc的地址也是一样的,这样便不可以用来区分不同cpu的状态了。

因此,我们需要一种方法,可以让我们在每个cpu中都用同一个符号记录状态,但这些符号却是映射到不同的地址。

既然页表一样,我们自然不能用一个绝对的数值来寻址啦,仔细想想,页表之上有什么?页表之上,还有段表啊。

所以我们需要用segment register来寻址,只要我们在建立段表时把该段都映射到不同的内存区域不就可以了,所以我们有了以下声明:

1 extern struct cpu *cpu asm("%gs:0");    // &cpus[cpunum()]2 extern struct proc *proc asm("%gs:4");   // cpus[cpunum()].proc

我们用gs作为段寄存器,cpu指向[%gs],proc指向[%gs+4],

其中为什么开头要用extern呢?我问过某大神,他说是因为gs段是在外部建立的,相当于外部定义的。。。

 

OK,最后一个问题来了,gs段应该指向哪,才能确保每个cpu的gs段都位于不同的区域?

最直观的想法当然是指向对应的cpus[num]内部啦,所以在struct cpu尾部增加两个域:

1 struct cpu{2  ........ //cpu状态3 4  // Cpu-local storage variables; see below5  struct cpu *cpu;6  struct proc *proc;      // The currently-running process.7 }

然后在建立段表时,增加gs段,并映射至尾部这两个域:

 1  c = &cpus[cpunum()]; 2   3  ......... //建立其他段 4  5  // 建立gs段,共两个域(存储cpu和proc地址),起始地址为&c->cpu 6  c->gdt[SEG_KCPU] = SEG(STA_W, &c->cpu, 8, 0); 7  8  //加载gdt 9  lgdt(c->gdt, sizeof(c->gdt));10  //加载gs11  loadgs(SEG_KCPU << 3);12  13  // 把当前cpu和proc状态的地址赋给cpu和proc全局变量14  //而cpu变量实质为%gs:0, proc变量实质为%gs:415  cpu = c;16  proc = 0;

 

其实在这里cpu和proc变量跟线程局部存储的性质差不多,每个处理器都可以引用同一个变量,但这些变量都对应不同的存储区域。

有可能这种实现技巧跟TLS(线程局部存储)差不多,有空研究下TLS的实现看看是不是。