xv6中存储cpu和进程信息的技巧

浏览: 206 发布日期: 2017-02-20 分类: c

xv6是一个支持多处理器的Unix-lik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 implemented
11 // 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 below
5   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gs
11   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:4
15   cpu = c;
16   proc = 0;

其实在这里cpuproc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。

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