OSTEP 第六章笔记

虚拟化CPU？

• 基本思想：运行一个进程一段时间，然后运行另一个进程，如此轮换 → 以某种方式时分共享(time sharing) CPU
• 挑战
  • 性能：高性能，不增加系统开销
  • 控制权：保持操作系统对 CPU 的控制权

基本技巧：受限直接执行（limited direct execution)

• 直接执行：直接在 CPU 上运行程序
  • 在进程列表中为其创建一个进程条目，为其分配一些内存，将程序代码（从磁盘）加载到内存中，找到入口点（main()函数或类似的），跳转到那里，并开始运行用户的代码
• 问题1：受限制的操作
• 问题2：在进程之间切换

问题1：受限制的操作

我们采用的办法是引入一种新的处理器模式，称为用户模式。

• 在用户模式下运行的代码会受到限制。

内核模式

• 操作系统（或内核）就以这种模式运行
• 在内核模式下运行的代码可以做它喜欢的事情，包括特权操作，如发出I/O请求和执行所有类型 受限指令

如果用户希望执行某种特权操作，应该怎么做？

• 为了实现这一点，几乎所有的现代硬件都提供了用户程序执行系统调用的能力。系统调用允许内核小心地向用户程序暴露某些关键功能，例如访问文件系统、创建和销毁进程、与其他进程通信，以及分配更多内存。大多数操作系统提供几百个调用。

要执行系统调用，程序必须执行特殊的 trap 指令（跳入内核并将特权级别提升到内核模式）。

完成后，操作系统调用一个特殊的 return-from-trap 指令（返回到发起调用的应用程序，同时将特权级别降低到用户模式）

执行 trap 时，硬件需要存储足够的调用者寄存器，以便 OS 发出 return-from-trap 时能够正确返回。

例如，在x86上，处理器会将程序计数器、标志和其他一些寄存器推送到每个进程的内核栈上。return-from-trap 指令将从栈弹出这些值，并恢复执行用户模式程序。

trap 如何知道在 OS 内运行哪些代码？

• 内核通过在启动时设置陷入表(trap table)来实现。当机器启动时，它在内核模式下执行。操作系统做的第一件事，就是告诉硬件在发生某些异常事件（如硬盘中断/键盘中断/程序进行系统调用）时要运行哪些代码。

硬件通过提供不同的执行模式来协助操作系统。

• 用户模式：应用程序不能完全访问硬件资源
• 内核模式：操作系统可以访问机器的全部资源

还提供了特殊指令。

• 陷入(trap): 陷入内核
• 从陷入返回(return-from-trap): 从内核模式切换回用户模式

问题2：在进程之间切换

操作系统如何重新获得CPU的控制权，以便它可以在进程之间切换？

a. 协作方式：等待系统调用

• 在协作调度系统中，OS通过等待系统调用，或某种非法操作发生，从而重新获得CPU的控制权
• 但是如果某个进程假如无限循环从不进行系统调用呢？

b. 非协作方式：操作系统进行控制

• 利用 时钟中断 重新获得控制权

时钟中断(timer interrupt)

• 时钟设备可以被编程为每个几毫秒产生一次中断
• 中断发生时，当前正在运行的进程停止，操作系统中预先设置的中断处理程序会运行

首先，在启动时，操作系统必须通知硬件哪些代码在发生中断时运行。

其次，在启动过程中，操作系统也必须启动时钟。

在中断发生时，硬件要为正在运行的程序保存足够的状态，以便随后 return-from-trap 指令能够恢复正在运行的程序。

• 各种寄存器因此被保存（e.g. 进入内核栈）

保存和恢复上下文

如果调度程序决定切换到另一个程序，OS 会执行执行一些底层代码，即所谓的上下文切换

上下文切换(context switch)：操作系统要做的就算为当前正在执行的进程保存一些寄存器的值（例如，到它的内核栈），并为即将执行的进程恢复一些寄存器的值（从它的内核栈）

上下文切换的过程：

• 为了保存当前正在运行的进程的上下文，操作系统会执行一些底层汇编代码，来保存通用寄存器、程序计数器，以及当前正在运行的进程的内核栈指针，然后恢复寄存器、程序计数器，并切换内核栈，供即将运行的进程使用。
• 通过切换栈，内核在进入切换代码调用时，是一个进程的上下文，在返回时，是另一个进程的上下文
• 当操作系统最终执行return-from-trap指令时，即将执行的进程编程了当前运行的进程
• 至此上下文切换完成

进程上下文切换时有两种寄存器保存/恢复

• 硬件保存用户上下文（运行进程的用户寄存器）
  • 发生时钟中断时
  • 硬件隐式地保存在用户模式下运行时的寄存器状态（程序计数器、通用寄存器等）
    • 该程序运行时的数据、计算结果、下一条指令的地址等
  • 保存到该进程的内核栈
• OS保存内核上下文（内核寄存器）
  • 当操作系统决定从A切换到B时
  • OS保存在内核模式下所使用的寄存器状态
  • 保存在 A 的进程控制块 (PCB) 中

解决并发问题（这里我们先只是简单介绍一下）

• 操作系统可能简单的决定，在中断期间禁止中断。（当然，操作系统这样做必须小心。禁用中断事件过长可能导致丢失中断）
• 操作系统还开发了许多复杂的加锁方案

小结

实现 CPU 虚拟化的关键底层机制：受限直接执行(limited direct execution)

基本思路很简单：就让你想运行的程序在 CPU 上运行，但首先确保设置好硬件，以便在没有操作系统帮助的情况下限制进程可以执行的操作。

OS 先设置陷阱处理程序并启动时钟中断，然后在受限模式下运行进程。只有在执行特权操作，或者当它们独占 CPU 时间过长并因此需要切换时，才需要操作系统干预。

TIPS：重新启动是有用的

• 它让程序回到已知的状态
• 可以回收旧的或泄漏的资源（例如内存）

为什么系统调用看起来像过程调用：

它是一个过程调用，但隐藏在过程调用内部的是著名的 trap 指令。更具体的说，例如当你调用 open() 时，你正在执行的是 C 库的过程调用。C库中进行系统调用的部分是用汇编手工编码的