os_kernel/thread/thread.c

#include "thread.h"
#include "sync.h"
#include "../lib/string.h"
#include "../kernel/interrupt.h"
#include "../kernel/debug.h"
#include "../lib/kernel/list.h"
#include "../lib/kernel/print.h"
#include "../userprog/process.h"

struct task_struct *main_thread;     // 主线程 PCB
struct list thread_ready_list;       // 就绪队列
struct list thread_all_list;         // 所有任务队列
static struct list_elem *thread_tag; // 用于保存队列中的线程节点
static pid_t allocate_pid(void);     // 分配 pid

struct lock pid_lock;

extern void switch_to(struct task_struct *cur, struct task_struct *next);

#pragma GCC diagnostic push
#pragma GCC diagnostic ignored "-Wint-to-pointer-cast"
#pragma GCC diagnostic ignored "-Wpointer-to-int-cast"

// 获取当前线程的 PCB 指针
struct task_struct *running_thread(void)
{
    uint32_t esp;
    asm("mov %%esp, %0" : "=g"(esp));
    // 取 esp 整数部分作为 PCB 的指针
    return (struct task_struct *)((uintptr_t)esp & 0xfffff000);
}

// 由 kernel_thread 去执行 function(func_arg)
static void kernel_thread(thread_func *function, void *func_arg)
{
    // 执行 function 前开中断,避免后面的时钟中断被屏蔽,而无法调度其它线程
    intr_enable();
    function(func_arg);
}

// 初始化线程栈 thread_stack
void thread_create(struct task_struct *pthread, thread_func function, void *func_arg)
{
    // 先预留中断栈空间
    pthread->self_kstack -= sizeof(struct intr_stack);
    // 再预留线程栈空间，线程栈位于中断栈顶
    pthread->self_kstack -= sizeof(struct thread_stack);

    struct thread_stack *kthread_stack = (struct thread_stack *)pthread->self_kstack;
    kthread_stack->eip = kernel_thread;
    kthread_stack->function = function;
    kthread_stack->func_arg = func_arg;
    kthread_stack->ebp = kthread_stack->ebx = kthread_stack->edi = kthread_stack->esi = 0;
}
// 分配 pid
static pid_t allocate_pid(void)
{
    static pid_t next_pid = 0;
    lock_acquire(&pid_lock);
    next_pid++;
    lock_release(&pid_lock);
    return next_pid;
}
// 初始化线程基本信息
void init_thread(struct task_struct *pthread, char *name, int prio)
{
    _memset(pthread, 0, sizeof(*pthread)); // 全部置为 0
    pthread->pid = allocate_pid();         // 分配 pid
    _strcpy(pthread->name, name);          // name

    // 线程状态, 目前只有两种状态: TASK_RUNNING, TASK_READY
    if (pthread == main_thread)
    { // 主线程，把 main 也封装成一个线程，并且它一直是运行的，所以是 TASK_RUNNING
        pthread->status = TASK_RUNNING;
    }
    else
    {
        pthread->status = TASK_READY;
    }

    pthread->self_kstack = (uint32_t *)((uintptr_t)pthread + PG_SIZE); // self_kstack是线程自己在内核态下使用的栈顶地址
    pthread->priority = prio;                                          // 线程优先级
    pthread->ticks = prio;                                             // 嘀嗒数
    pthread->elapsed_ticks = 0;                                        // 线程已执行的时间嘀嗒数
    pthread->pgdir = NULL;                                             // 进程自己页表的虚拟地址, 如果是线程则为 NULL
    // pthread->userprog_addr = NULL;
    pthread->stack_magic = 0x19940625; // 自定义的魔数
}

// 创建优先级为 prio 的线程, 线程名为 name, 线程所执行的函数是 function(func_arg)
struct task_struct *thread_start(char *name, int prio, thread_func function, void *func_arg)
{
    // pcb 线程控制块
    struct task_struct *thread = get_kernel_pages(1); // 申请一页内存(内核空间)做为PCB
    init_thread(thread, name, prio);                  // 初始化线程基本信息
    thread_create(thread, function, func_arg);        // 初始化线程栈 thread_stack

    ASSERT(!elem_find(&thread_ready_list, &thread->general_tag)); // 保证加入就绪队列的线程不在队列中
    list_append(&thread_ready_list, &thread->general_tag);        // 加入就绪队列

    ASSERT(!elem_find(&thread_all_list, &thread->all_list_tag)); // 保证加入所有线程队列的线程不在队列中
    list_append(&thread_all_list, &thread->all_list_tag);        // 加入所有线程队列

    return thread;
}

// 将 kernel 中的 main 函数封装成线程
static void make_main_thread(void)
{
    // 因为 main 函数也是一个线程，但它被单独执行，所以要单独处理
    // 因为 main 函数是操作系统的第一个函数，所以它的 PCB 也是第一个
    // ! 在 loader.S 中进入内核时 mov esp, 0xc009f000，
    // ! 所以 main 函数的栈顶是 0xc009f000, PCB 是 0xc009e000
    main_thread = running_thread();
    init_thread(main_thread, "main", 31); // 31 是最高优先级

    // main 函数是当前线程，当前线程不在 thread_ready_list 中
    ASSERT(!elem_find(&thread_all_list, &main_thread->all_list_tag));
    list_append(&thread_all_list, &main_thread->all_list_tag);
}

/// @brief 将当前线程换下处理器，并在就绪队列中找出下个可运行的程序，换上处理器
///! 此过程由 时钟中断 来调用
void schedule(void)
{
    ASSERT(intr_get_status() == INTR_OFF);

    struct task_struct *cur = running_thread();
    if (cur->status == TASK_RUNNING)
    {
        // 若此线程只是时间片到了，将其加入到就绪队列尾
        ASSERT(!elem_find(&thread_ready_list, &cur->general_tag));
        list_append(&thread_ready_list, &cur->general_tag);
        cur->ticks = cur->priority; // 重置 ticks
        cur->status = TASK_READY;
    }
    else
    {
        // 若此线程需要某事件发生后才能继续上 cpu 运行, 不需要加入队列
    }
    // todo: 暂未实现 idle 线程，暂用 assertion 来保障
    ASSERT(!list_empty(&thread_ready_list));
    thread_tag = NULL;                         // thread_tag 清空
    thread_tag = list_pop(&thread_ready_list); // 弹出队列中的第一个就绪线程
    struct task_struct *next = elem2entry(struct task_struct, general_tag, thread_tag);
    // 方法 2： PCB 在自然页的起始地址, 所以 pcb 地址=0xfffff000&(&(PCB.general_tag))

    next->status = TASK_RUNNING;

    // 激活任务页表等
    process_activate(next);

    switch_to(cur, next); // 切换线程
}

// 当前线程将自己阻塞，标志其状态为 status(不可运行状态)
void thread_block(enum task_status status)
{ // 只有这三种状态才做阻塞
    ASSERT((status == TASK_BLOCKED) || (status == TASK_WAITING) || (status == TASK_HANGING));
    enum intr_status old_status = intr_disable(); // 关中断
    struct task_struct *cur = running_thread();
    cur->status = status; // 设置其状态为 status, 设置之前 cur->status == TASK_RUNNING
    schedule();           // 将当前线程换下处理器
    //! 待当前线程被解除阻塞后继续运行下面的 intr_set_status
    intr_set_status(old_status); // 恢复中断
}

// 解除线程的阻塞状态，标志其状态为 TASK_RUNNING
// pthread 指需要被接触阻塞的线程
void thread_unblock(struct task_struct *pthread)
{
    enum intr_status old_status = intr_disable(); // 关中断
    ASSERT((pthread->status == TASK_BLOCKED) || (pthread->status == TASK_WAITING) || (pthread->status == TASK_HANGING));
    if (pthread->status != TASK_READY)
    {
        ASSERT(!elem_find(&thread_ready_list, &pthread->general_tag));
        if (elem_find(&thread_ready_list, &pthread->general_tag))
        {
            PANIC("thread_unblock: blocked thread in ready_list\n");
        }
        list_append(&thread_ready_list, &pthread->general_tag); // 加入到队列的最前面，使其尽快得到调度
        pthread->status = TASK_READY;
    }

    intr_set_status(old_status); // 恢复中断
}

// 初始化线程环境
void thread_init(void)
{
    put_str("thread_init start\n");
    list_init(&thread_ready_list);
    list_init(&thread_all_list);
    lock_init(&pid_lock);
    make_main_thread(); // 将当前 main 函数创建为线程
    put_str("thread_init end\n");
}

#pragma GCC diagnostic pop