Skip to content

实验五：用户进程管理

实验目的

  • 了解第一个用户进程创建过程
  • 了解系统调用框架的实现机制
  • 了解ucore如何实现系统调用sys_fork/sys_exec/sys_exit/sys_wait来进行进程管理

实验内容

实验4完成了内核线程，但到目前为止，所有的运行都在内核态执行。实验5将创建用户进程，让用户进程在用户态执行，且在需要ucore支持时，可通过系统调用来让ucore提供服务。为此需要构造出第一个用户进程，并通过系统调用sys_fork/sys_exec/sys_exit/sys_wait来支持运行不同的应用程序，完成对用户进程的执行过程的基本管理。相关原理介绍可看附录。

实验执行流程概述

到实验四为止，ucore还一直在核心态“打转”，没有到用户态执行。提供各种操作系统功能的内核线程只能在CPU核心态运行是操作系统自身的要求，操作系统就要呆在核心态，才能管理整个计算机系统。但应用程序员也需要编写各种应用软件，且要在计算机系统上运行。如果把这些应用软件都作为内核线程来执行，那系统的安全性就无法得到保证了。所以，ucore要提供用户态进程的创建和执行机制，给应用程序执行提供一个用户态运行环境。接下来我们就简要分析本实验的执行过程，以及分析用户进程的整个生命周期来阐述用户进程管理的设计与实现。

显然，由于进程的执行空间扩展到了用户态空间，且出现了创建子进程执行应用程序等与lab4有较大不同的地方，所以具体实现的不同主要集中在进程管理和内存管理部分。首先，我们从ucore的初始化部分来看，会发现初始化的总控函数kern_init没有任何变化。但这并不意味着lab4与lab5差别不大。其实kern_init调用的物理内存初始化，进程管理初始化等都有一定的变化。

在内存管理部分，与lab4最大的区别就是增加用户态虚拟内存的管理。为了管理用户态的虚拟内存，需要对页表的内容进行扩展，能够把部分物理内存映射为用户态虚拟内存。如果某进程执行过程中，CPU在用户态下执行（在CSR.CRMD中的PLV域，如果为0，表示CPU运行在特权态；如果为3，表示CPU运行在用户态。），则可以访问本进程页表描述的用户态虚拟内存，但由于权限不够，不能访问内核态虚拟内存。另一方面，不同的进程有各自的页表，所以即使不同进程的用户态虚拟地址相同，但由于页表把虚拟页映射到了不同的物理页帧，所以不同进程的虚拟内存空间是被隔离开的，相互之间无法直接访问。在用户态内存空间和内核态内核空间之间需要拷贝数据，让CPU处在内核态才能完成对用户空间的读或写，为此需要设计专门的拷贝函数（copy_from_user和copy_to_user）完成。但反之则会导致违反CPU的权限管理，导致内存访问异常。

在进程管理方面，主要涉及到的是进程控制块中与内存管理相关的部分，包括建立进程的页表和维护进程可访问空间（可能还没有建立虚实映射关系）的信息；加载一个ELF格式的程序到进程控制块管理的内存中的方法；在进程复制（fork）过程中，把父进程的内存空间拷贝到子进程内存空间的技术。另外一部分与用户态进程生命周期管理相关，包括让进程放弃CPU而睡眠等待某事件；让父进程等待子进程结束；一个进程杀死另一个进程；给进程发消息；建立进程的血缘关系链表。

当实现了上述内存管理和进程管理的需求后，接下来ucore的用户进程管理工作就比较简单了。首先，“硬”构造出第一个进程（lab4中已有描述），它是后续所有进程的祖先；然后，在proc_init函数中，通过alloc把当前ucore的执行环境转变成idle内核线程的执行现场；然后调用kernl_thread来创建第二个内核线程init_main，而init_main内核线程有创建了user_main内核线程。到此，内核线程创建完毕，应该开始用户进程的创建过程，这第一步实际上是通过user_main函数调用kernel_tread创建子进程，通过kernel_execve调用来把某一具体程序的执行内容放入内存。具体的放置方式是根据ld在此文件上的地址分配为基本原则，把程序的不同部分放到某进程的用户空间中，从而通过此进程来完成程序描述的任务。一旦执行了这一程序对应的进程，就会从内核态切换到用户态继续执行。以此类推，CPU在用户空间执行的用户进程，其地址空间不会被其他用户的进程影响，但由于系统调用（用户进程直接获得操作系统服务的唯一通道）、外设中断和异常中断的会随时产生，从而间接推动了用户进程实现用户态到到内核态的切换工作。ucore对CPU内核态与用户态的切换过程需要比较仔细地分析（这其实是实验一的扩展练习）。当进程执行结束后，需回收进程占用和没消耗完毕的设备整个过程，且为新的创建进程请求提供服务。在本实验中，当系统中存在多个进程或内核线程时，ucore采用了一种FIFO的很简单的调度方法来管理每个进程占用CPU的时间和频度等。在ucore运行过程中，由于调度、时间中断、系统调用等原因，使得进程会进行切换、创建、睡眠、等待、发消息等各种不同的操作，周而复始，生生不息。