v41.03 鸿蒙内核源码分析(任务切换) | 看汇编如何切换任务 原创
子曰:“岁寒,然后知松柏之后雕也。” 《论语》:子罕篇
百篇博客系列篇.本篇为:
v41.xx 鸿蒙内核源码分析(任务切换篇) | 看汇编如何切换任务
任务管理相关篇为:
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- v41.03 鸿蒙内核源码分析(任务切换) | 看汇编如何切换任务
本篇说清楚线程环境下的任务切换
在鸿蒙的内核线程就是任务,系列篇中说的任务和线程当一个东西去理解.
一般二种场景下需要切换任务上下文:
-
在线程环境下,从当前线程切换到目标线程,这种方式也称为软切换,能由软件控制的自主式切换.哪些情况下会出现软切换呢?
- 运行的线程申请某种资源(比如各种锁,读/写消息队列)失败时,需要主动释放CPU的控制权,将自己挂入等待队列,调度算法重新调度新任务运行.
- 每隔10ms就执行一次的
OsTickHandler
节拍处理函数,检测到任务的时间片用完了,就发起任务的重新调度,切换到新任务运行. - 不管是内核态的任务还是用户态的任务,于切换而言是统一处理,一视同仁的,因为切换是需要换栈运行,寄存器有限,需要频繁的复用,这就需要将当前寄存器值先保存到任务自己的栈中,以便别人用完了轮到自己再用时恢复寄存器当时的值,确保老任务还能继续跑下去. 而保存寄存器顺序的结构体叫:任务上下文(
TaskContext
).
-
在中断环境下,从当前线程切换到目标线程,这种方式也称为硬切换.不由软件控制的被动式切换.哪些情况下会出现硬切换呢?
- 由硬件产生的中断,比如 鼠标,键盘外部设备每次点击和敲打,屏幕的触摸,USB的插拔等等这些都是硬中断.同样的需要切换栈运行,需要复用寄存器,但与软切换不一样的是,硬切换会切换工作模式(中断模式).所以会更复杂点,但道理还是一样要保存和恢复切换现场寄存器的值, 而保存寄存器顺序的结构体叫:任务中断上下文(
TaskIrqContext
).
- 由硬件产生的中断,比如 鼠标,键盘外部设备每次点击和敲打,屏幕的触摸,USB的插拔等等这些都是硬中断.同样的需要切换栈运行,需要复用寄存器,但与软切换不一样的是,硬切换会切换工作模式(中断模式).所以会更复杂点,但道理还是一样要保存和恢复切换现场寄存器的值, 而保存寄存器顺序的结构体叫:任务中断上下文(
本篇说清楚在线程环境下切换(软切换)的实现过程.中断切换(硬切换)实现过程将在鸿蒙内核源码分析(总目录)中断切换篇中详细说明.
本篇具体说清楚以下几个问题:
- 任务上下文(
TaskContext
)怎么保存的? - 代码的实现细节是怎样的?
- 如何保证切换不会发生错误,指令不会丢失?
在 鸿蒙内核源码分析(总目录) 系列篇中已经说清楚了调度机制,线程概念,寄存器,CPU,工作模式,这些是读懂本篇的基础,建议先前往翻看,不然理解本篇会费劲.本篇代码量较多,涉及C和汇编代码,代码都添加了注释,试图把任务的整个切换过程逐行逐行说清楚.
前置条件
一个任务要跑起来,需要两个必不可少的硬性条件:
-
1.从代码段哪个位置取指令? 也就是入口地址,main函数是应用程序的入口地址, 注意main函数也是一个线程,只是不需要你来new而已,加载程序阶段会默认创建好. run()是new一个线程执行的入口地址.高级语言是这么叫,但到了汇编层的叫法就是PC寄存器.给PC寄存器赋什么值,指令就从哪里开始执行.
-
2.运行的场地(栈空间)在哪里? ARM有7种工作模式,到了进程层面只需要考虑内核模式和用户模式两种,对应到任务会有内核态栈空间和用户态栈空间.内核模式的任务只有内核态的栈空间,用户模式任务二者都有.栈空间是在初始化一个任务时就分配指定好的.以下是两种栈空间的初始化过程.为了精练省去了部分代码,留下了核心部分.
您一定注意到了TaskContext
,说的全是它,这就是任务上下文结构体,理解它是理解任务切换的钥匙.它不仅在C语言层面出现,而且还在汇编层出现,TaskContext
是连接或者说打通 C->汇编->C 实现任务切换的最关键概念.本篇全是围绕着它来展开.先看看它张啥样,LOOK!
TaskContext 任务上下文
-
结构很简单,目的更简单,就是用来保存寄存器现场的值的. 鸿蒙内核源码分析(总目录) 系列寄存器篇中已经说过了,到了汇编层就是寄存器在玩,当CPU工作在用户和系统模式下时寄存器是复用的,玩的是17个寄存器和内存地址,访问内存地址也是通过寄存器来玩.
-
哪17个? R0~R15和CPSR. 当调度(主动式)或者中断(被动式)发生时.将这17个寄存器压入任务的内核栈的过程叫保护案发现场.从任务栈中弹出依次填入寄存器的过程叫恢复案发现场.
-
从栈空间的具体哪个位置开始恢复呢? 答案是:
stackPointer
,任务控制块(LosTaskCB)的首个变量.对应到汇编层的就是SP寄存器. -
而
TaskContext
(任务上下文)就是一定的顺序来保存和恢复这17个寄存器的.任务上下文在任务还没有开始执行的时候就已经保存在内核栈中了,只不过是一些默认的值,OsTaskStackInit
干的就是这个默认的事. 而OsUserTaskStackInit
是对用户栈的初始化,改变的是(CPSR)工作模式和SP寄存器. -
新任务的运行栈指针(
stackPointer
)给SP寄存器意味着切换了运行栈,这是本篇最重要的一句话.
以下通过汇编代码逐行分析如何保存和恢复TaskContext
(任务上下文)
OsSchedResched 调度算法
- 在鸿蒙内核源码分析(总目录)之调度机制篇中,留了一个问题,
OsTaskSchedule
不是一个C函数,而是个汇编函数,就没有往下分析了,本篇要完成整个分析过程.OsTaskSchedule
实现了任务的上下文切换,汇编代码见于los_dispatch.S中 OsTaskSchedule
的参数指向的是新老两个任务,这两个参数分别保存在R0,R1寄存器中.
OsTaskSchedule 汇编实现
读这段汇编代码一定要对照上面的TaskContext
,不然很难看懂,容易懵圈,但对照着看就秒懂.
解读
-
汇编分成了三段
OsTaskSchedule
,OsTaskContextLoad
,OsKernelTaskLoad
. -
第一段
OsTaskSchedule
其实就是在保存现场.代码都有注释,对照着TaskContext
来的,它就干了一件事把17个寄存器的值按TaskContext
的格式入栈,因为鸿蒙用栈方式采用的是满栈递减的方式,所以存放顺序是从最后一个往前依次入栈. -
连着来两句
STMFD SP!, {LR}
之前让笔者懵圈了很久, 看了TaskContext
才恍然大悟,因为三级流水线的原因,LR和PC寄存器之间是差了一条指令的,LR指向了处于译码阶段指令,而PC指向了取指阶段的指令,所以此处做了两次LR入栈,其实是保存了未执行的译码指令地址,确保执行不会丢失一条指令. -
R1是正在运行的任务栈,
OsTaskSchedule
总的理解是在任务R1的运行栈中插入一个TaskContext
结构块.而STR SP, [R1]
,是改变了LosTaskCB->stackPointer的值,这个值只能在汇编层进行精准的改变,而在整个鸿蒙内核C代码层面都没有看到对它有任何修改的地方.这个改变意义极为重要.因为新的任务被调度后的第一件事情就是恢复现场!!! -
在
OsTaskSchedule
执行完成后,因为PC寄存器并没有发生跳转,所以紧接着往下执行OsTaskContextLoad
-
OsTaskContextLoad
的任务就是恢复现场,谁的现场?当然是R0: new task的,所以第一条指令就是CLREX
,清除干净后立马执行LDR SP, [R0]
,所指向的就是LosTaskCB->stackPointer
,这个位置存的是新任务的TaskContext
结构块,是上一次R0任务被打断时保存下来当时这17个寄存器的值啊,依次出栈就是恢复这17个寄存器的值. -
OsTaskContextLoad
在开始之前会判断下工作模式,即判断下是内核栈还是用户栈,两种处理方式稍有不同.但都是在恢复现场. -
BNE OsKernelTaskLoad
是查询CPSR后判断此时为内核栈的现场恢复过程,代码很简单就是恢复17个寄存器. 如此一来,任务执行的两个条件,第一个SP的在LDR SP, [R0]
时就有了.第二个条件:PC寄存器的值也在最后一条汇编LDMFD SP!, {LR, PC}^
也已经有了.改变了PC和LR有了新值,下一条指令位置一样是上次任务被中断时还没被执行的处于译码阶段的指令地址. -
如果是用户态区别是需要恢复中断.因为用户模式的优先级是最低的,必须允许响应中断,也是依次恢复各寄存器的值,最后一句
LDMFD SP!, {PC}^
结束本次旅行,下一条指令位置一样是上次任务被中断时还没被执行的处于译码阶段的指令地址. -
如此,说清楚了任务上下文切换的整个过程,初看可能不太容易理解,建议多看几篇,用笔画下栈的运行过程,脑海中会很清晰的浮现出整个切换过程的运行图.
百万汉字注解.精读内核源码
百篇博客分析.深挖内核地基
给鸿蒙内核源码加注释过程中,整理出以下文章。内容立足源码,常以生活场景打比方尽可能多的将内核知识点置入某种场景,具有画面感,容易理解记忆。说别人能听得懂的话很重要! 百篇博客绝不是百度教条式的在说一堆诘屈聱牙的概念,那没什么意思。更希望让内核变得栩栩如生,倍感亲切.确实有难度,自不量力,但已经出发,回头已是不可能的了。 😛
与代码有bug需不断debug一样,文章和注解内容会存在不少错漏之处,请多包涵,但会反复修正,持续更新,.xx
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文中有几处gn写成 ng 了。
感谢纠错, 发现 gn ,ng 都是谷歌整出来的东东. : )
mark。。。