线程切换

我们要用这个函数完成线程切换：

  1. // src/process/structs.rs
  2. impl Thread {
  3.     pub fn switch_to(&mut self, target: &mut Thread) {
  4.         unsafe { self.context.switch(&mut target.context); }
  5.     }
  6. }

通过调用 switch_to 函数将当前正在执行的线程切换为另一个线程。实现方法是两个 Context 的切换。

  1. // src/lib.rs
  3. #![feature(naked_functions)]
  5. // src/context.rs
  7. impl Context {
  8.     #[naked]
  9.     #[inline(never)]
  10.     pub unsafe extern "C" fn switch(&mut self, target: &mut Context) {
  11.         asm!(include_str!("process/switch.asm") :::: "volatile");
  12.     }
  13. }

这里需要对两个宏进行一下说明：

  • #[naked] ，告诉 rust 编译器不要给这个函数插入任何开场白 (prologue) 以及结语 (epilogue) 。 我们知道，一般情况下根据 函数调用约定(calling convention) ，编译器会自动在函数开头为我们插入设置寄存器、栈（比如保存 callee-save 寄存器，分配局部变量等工作）的代码作为开场白，结语则是将开场白造成的影响恢复。

  • #[inline(never)] ，告诉 rust 编译器永远不要将该函数内联。

    内联 (inline) 是指编译器对于一个函数调用，直接将函数体内的代码复制到调用函数的位置。而非像经典的函数调用那样，先跳转到函数入口，函数体结束后再返回。这样做的优点在于避免了跳转；但却加大了代码容量。

    有时编译器在优化中会将未显式声明为内联的函数优化为内联的。但是我们这里要用到调用-返回机制，因此告诉编译器不能将这个函数内联。

这个函数我们用汇编代码 src/process/switch.asm 实现。

由于函数调用约定(calling convention) ，我们知道的是寄存器

线程切换 - 图1

分别保存“当前线程栈顶地址”所在的地址，以及“要切换到的线程栈顶地址”所在的地址。

RISC-V 函数调用约定（Calling Convention）

寄存器ABI 名称描述Saver
x0zeroHard-wired zero<!—-<!—-
x1raReturn addressCaller
x2spStack pointerCallee
x3gpGlobal pointer<!—-<!—-
x4tpThread pointer<!—-<!—-
x5-7t0-2TemporariesCaller
x8s0/fpSaved register/frame pointerCallee
x9s1Saved registerCallee
x10-11a0-1Function arguments/return valuesCaller
x12-17a2-7Function argumentsCaller
x18-27s2-11Saved registersCallee
x28-31t3-6TemporariesCaller

我们切换进程时需要保存 Callee-saved registers 以及ra。

所以要做的事情是：

  1. 将当前的 CPU 状态保存到当前栈上，并更新“当前线程栈顶地址”，通过写入寄存器

    线程切换 - 图2

    值所指向的内存；

  2. 读取寄存器

    线程切换 - 图3

    值所指向的内存获取“要切换到的线程栈顶地址”，切换栈，并从栈上恢复 CPU 状态

  1. # src/process/switch.asm
  3. .equ XLENB, 8
  4. .macro Load a1, a2
  5.     ld \a1, \a2*XLENB(sp)
  6. .endm
  7. .macro Store a1, a2
  8.     sd \a1, \a2*XLENB(sp)
  9. .endm
  10.     # 入栈，即在当前栈上分配空间保存当前 CPU 状态
  11.     addi sp, sp, -14*XLENB
  12.     # 更新“当前线程栈顶地址”
  13.     sd sp, 0(a0)
  14.     # 依次保存各寄存器的值
  15.     Store ra, 0
  16.     Store s0, 2
  17.     ......
  18.     Store s11, 13
  19.     csrr s11, satp
  20.     Store s11, 1
  21.     # 当前线程状态保存完毕
  23.     # 准备恢复到“要切换到的线程”
  24.     # 读取“要切换到的线程栈顶地址”，并直接换栈
  25.     ld sp, 0(a1)
  26.     # 依序恢复各寄存器
  27.     Load s11, 1
  28.     # 恢复页表寄存器 satp，别忘了使用屏障指令 sfence.vma 刷新 TLB
  29.     csrw satp, s11
  30.     sfence.vma
  31.     Load ra, 0
  32.     Load s0, 2
  33.     ......
  34.     Load s11, 13
  35.     # 各寄存器均被恢复，恢复过程结束
  36.     # “要切换到的线程” 变成了 “当前线程”
  37.     # 出栈，即在当前栈上回收用来保存线程状态的内存
  38.     addi sp, sp, 14*XLENB
  40.     # 将“当前线程的栈顶地址”修改为 0
  41.     # 这并不会修改当前的栈
  42.     # 事实上这个值只有当对应的线程暂停（sleep）时才有效
  43.     # 防止别人企图 switch 到它，把它的栈进行修改
  44.     sd zero, 0(a1)
  45.     ret

这里需要说明的是：

  1. 我们是如何利用函数调用及返回机制的

    我们说为了线程能够切换回来，我们要保证切换前后线程状态不变。这并不完全正确，事实上程序计数器

    线程切换 - 图4

    发生了变化：在切换回来之后我们需要从 switch_to 返回之后的第一条指令继续执行！

    因此可以较为巧妙地利用函数调用及返回机制：在调用 switch_to 函数之前编译器会帮我们将

    线程切换 - 图5

    寄存器的值改为 switch_to 返回后第一条指令的地址。所以我们恢复

    线程切换 - 图6

    ，再调用

    线程切换 - 图7

    ，这样会跳转到返回之后的第一条指令。

  2. 为何不必保存全部寄存器

    因此这是一个函数调用，由于函数调用约定(calling convention) ，编译器会自动生成代码在调用前后帮我们保存、恢复所有的 caller-saved 寄存器。于是乎我们需要手动保存所有的 callee-saved 寄存器

    线程切换 - 图8

    。这样所有的寄存器都被保存了。

下面一节我们来研究如何进行线程初始化。