手写操作系统项目----进程初始化

这里记录了，手写操作系统项目中关于进程初始化的部分。

进程四要素

首先进程有四要素。

• 有一段程序代其执行
• 有进程专用的系统堆栈空间
• 在内核有task_struct数据结构
• 进程有独立的存储空间，拥有专有的用户空间

如果具备前三条缺少第四条，那就称为线程。如果完全没有用户空间，就称为 内核线程 。如果共享用户空间就称为用户线程。

进程初始化

手写操作系统项目的进程初始化的源代码如下：

```cpp
/**
 * @brief 初始化任务
 */
int task_init (task_t * task, const char * name, int flag ,uint32_t entry, uint32_t esp) {
    ASSERT(task != (task_t *)0);

    int err = tss_init(task, flag, entry, esp);
    if (err < 0) {
        log_printf("init task failed.\n");
        return err;
    }

    // 任务字段初始化
    kernel_strncpy(task->name, name, TASK_NAME_SIZE);
    task->state = TASK_CREATED;
    task->sleep_ticks = 0;
    task->parent = (task_t *)0;
    task->heap_start = 0;
    task->heap_end = 0;
    task->time_ticks = TASK_TIME_SLICE_DEFAULT;
    task->slice_ticks = task->time_ticks;
    task->state = 0;
    list_node_init(&task->all_node);
    list_node_init(&task->run_node);
    list_node_init(&task->wait_node);

    // 文件相关
    kernel_memset(task->file_table, 0, sizeof(task->file_table));

    // 插入就绪队列中和所有的任务队列中
    irq_state_t state = irq_enter_protection();
    task->pid = (uint32_t)task;
    list_insert_last(&task_manager.task_list, &task->all_node);
    irq_leave_protection(state);

    return 0;
}

接下来，我为你讲解这个进程初始化函数的各个部分。

初始化TSS

TSS是x86系统上的一个结构，保存了当前任务的状态信息，比如运行到了哪，当前任务的寄存器，CPU用来进行任务调度。\
当进行任务切换的时候，就把TSS取出来然后恢复要切换的任务的状态。TR寄存器中存储着当前运行进程的TSS结构。进程的task_struct结构中存储着该进程的tss结构，源码如下：

typedef struct _task_t {
    ...

    tss_t tss;                  // 任务的TSS段
    int tss_sel;                // tss选择子
}task_t;

\

下面是TSS的具体结构，具体的各个结构内容我们就不过多叙述了，如果真想要了解各个位所代表的是什么，大家可以看IA-32手册。
\

注： TSS是x86系统的特性，在当前64位操作系统已经被抛弃。\

我们的项目中并没有用到这么多的，只用到了一部分。具体项目源码如下：

/**
 * tss描述符
 */
typedef struct _tss_t {
    uint32_t pre_link;  // 没用到
    uint32_t esp0, ss0, esp1, ss1, esp2, ss2;
    uint32_t cr3;
    uint32_t eip, eflags, eax, ecx, edx, ebx, esp, ebp, esi, edi;
    uint32_t es, cs, ss, ds, fs, gs;
    uint32_t idt;   // 没用到
    uint32_t iomap;     // 没用到
}tss_t;

首先给出项目中tss初始化的源码。

static int tss_init (task_t * task, int flag ,uint32_t entry, uint32_t esp) {
    // 为TSS分配GDT
    int tss_sel = gdt_alloc_desc();
    if (tss_sel < 0) {
        log_printf("alloc tss failed.\n");
        return -1;
    }

    segment_desc_set(tss_sel, (uint32_t)&task->tss, sizeof(tss_t),
        SEG_P_PRESENT | SEG_DPL0 | SEG_TYPE_TSS
    );

    // tss段初始化
    kernel_memset(&task->tss, 0, sizeof(tss_t));

    // 分配内核栈，得到的是物理地址
    uint32_t kernel_stack = memory_alloc_page();   // 分配一页内存    用于中断、系统异常、系统调用
    if (kernel_stack == 0) {
        goto tss_init_failed;
    }

    // 根据不同的权限选择不同的访问选择子
    int code_sel, data_sel;
    if (flag & TASK_FLAGS_SYSTEM) {
        code_sel = KERNEL_SELECTOR_CS;
        data_sel = KERNEL_SELECTOR_DS;
    } else {
        // 注意加了RP3,不然将产生段保护错误
        code_sel = task_manager.app_code_sel | SEG_CPL3;
        data_sel = task_manager.app_data_sel | SEG_CPL3;
    }

    task->tss.eip = entry;
    task->tss.esp = esp ? esp : kernel_stack + MEM_PAGE_SIZE;
    task->tss.esp0 = kernel_stack + MEM_PAGE_SIZE;
    // task->tss.ss = data_sel;
    task->tss.ss0 = KERNEL_SELECTOR_DS;
     task->tss.eip = entry;
    task->tss.es = task->tss.ds = task->tss.ss = task->tss.fs = task->tss.gs = data_sel;    // 全部采用同一数据段s
    task->tss.cs = code_sel;
    task->tss.eflags = EFLGAGS_IF | EFLGAGS_DEFAULT;
    task->tss.iomap = 0;

    // 页表初始化
    uint32_t page_dir = memory_create_uvm();
    if (page_dir == 0) {
        goto tss_init_failed;
    }
    task->tss.cr3 = page_dir;

    task->tss_sel = tss_sel;
    return 0;
tss_init_failed:
    // 如果创建页表失败
    gdt_free_sel(tss_sel);
    if (kernel_stack) {
        memory_free_page(kernel_stack);
    }
    return -1;
}

首先通过int tss_sel = gdt_alloc_desc()代码分配一个GDT（GDT表是从第一项开始的，第0项不分配）。gdt_alloc_desc()源码如下：

/**
 * 分配一个GDT推荐表符
 */
int gdt_alloc_desc() {
    mutex_lock(&mutex);
    // 跳过第0项
    for (int i = 1; i < GDT_TABLE_SIZE; i ++ ) {
        segment_desc_t * desc = gdt_table + i;
        if (desc->attr == 0) {
            mutex_unlock(&mutex);
            return i * sizeof(segment_desc_t);
        }
    }
    mutex_unlock(&mutex);
    return -1;
}

可以看到就是遍历一下GDT表，看哪个表项没有被分出去，然后分配给当前TSS。

初始化task_struct结构

操作系统为每个进程分配一个task_struct结构，用以描述该进程，也就相当于一个进程的简历，写了进程的信息，进程的状态、父进程、进程的pid，进程的名字等等。

/**
 * @brief 任务控制块结构
 */
typedef struct _task_t {
    // uint32_t * stack;
    // 这是个枚举数据类型，递增的宏定义，默认第一个为0，每次加1.
    enum {
        TASK_CREATED,
        TASK_RUNNING,
        TASK_SLEEP,
        TASK_READY,
        TASK_WAITTING,   // 等待时间
        TASK_ZOMBIE,    // 将死状态
    }state;

    int pid;                        // 进程的pid
    struct _task_t * parent;        // 父进程
    uint32_t heap_start;            // 堆的顶层地址
    uint32_t heap_end;              // 堆结束地址
    int status;                     // 进程执行结果

    int sleep_ticks;        // 睡眠时间
    int time_ticks;         // 设置计数器   时间片
    int slice_ticks;        // 递减时间片计数

    file_t * file_table[TASK_OFILE_NR];      // 记录进程打开了哪些文件  任务最多打开的文件数量

    char name[TASK_NAME_SIZE];      // 任务名字

    list_node_t run_node;           // 运行相关结点
    list_node_t wait_node;          // 等待队列
    list_node_t all_node;           // 所有队列结点

    tss_t tss;                  // 任务的TSS段
    int tss_sel;                // tss选择子
}task_t;

linux源码中的task_struct描述符，里面包含很多的变量。我这个操作系统知识demo级别的，所以用到的并不多。\

可以看到我们是用pid来区分不同的进程，task_struct里面还有该进程的名字，该进程的堆栈空间地址。

进程初始化有一部分就是初始化task_struct这个结构中的信息。

将当前任务插入到所有任务队列中

关于这个代码list_insert_last(&task_manager.task_list, &task->all_node);，这个是将当前任务加入所有任务队列中去。\
task_manager是个task_manager_t的结构类型。结构的源码如下：

typedef struct _task_manager_t {
    task_t * curr_task;     // 当前运行的任务

    list_t ready_list;      // 就绪队列
    list_t task_list;       // 保存所有已经创建好的进程 所有已创建任务的队列
    list_t sleep_list;      // 睡眠队列 延时队列

    task_t first_task;      // 内核任务
    task_t idle_task;       // 空闲任务

    int app_code_sel;       // 任务代码段选择子
    int app_data_sel;       // 应用任务的数据段选择子
}task_manager_t;

这里面记录了当前运行的任务，就绪队列，已创建好的所有进程队列等等关于进程的队列。

总结流程

• 1、初始化任务的TSS结构。
  • 遍历GDT表，找到一个空表项的选择子
  • 通过GDT的选择子，初始化对应的GDT表项
  • 选择相应的数据段和代码段选择子（分为内核的和用户的）
  • 页表初始化，将页目录表的地址放到CR3中
  • 初始化tss结构
• 2、task_struct结构初始化。
• 3、将当前任务加入task_manager_t中所有创建的进程队列中去。