הפעלה מערכות

הקשר–4תרגול context(החלפת switch(

התרגול תוכן

הקשר� context(החלפת switch(ב-Linuxב� חדש תהליך Linux-יצירתב� תהליך ביצוע Linuxסיום

הפעלהמערכות - 4תרגול 2)c חדד) 2003ארז

ב� תהליך ביצוע Linux-סיום

הקשר החלפת ?מהי

תהליכים� מספר מריץ "זמנית-בו"מעבדאת� משעה ואז כלשהו זמן לפרק אחד תהליך מריץ המעבד

אחר תהליך להריץ להמשיך ועובר בין"מיתוג"–ביצועוהמתבצעים התהליכים

הפעלהמערכות - 4תרגול 3)c חדד) 2003ארז

יש� תהליך ביצוע"לכל (הקשר "execution context(התהליך לביצוע הדרוש המידע כל את המכיל

זיכרון,דגלים,רגיסטרים,מחסניות� פתוחים,תכולת קבצים

וטוענת� הנוכחי התהליך הקשר את שומרת המיתוג פעולתהבא התהליך של הביצוע הקשר את למעבד

מתחלף� הנוכחי התהליך הפעולה–הקשר שם החלפת"מכאן"הקשר

ב הקשר Linux-החלפת

לתהליךLinuxב� כפויה הקשר החלפת לבצע ניתן לאב kernel-שנמצא mode.

הקשר� החלפת לבצע צורך נוצר פסיקה בעקבות היא,אםב הפעולה את יסיים שהתהליך לאחר kernelתתבצע

הפעלהמערכות - 4תרגול 4)c חדד) 2003ארז

ב הפעולה את יסיים שהתהליך לאחר -kernelתתבצעmode,ל חזרתו user-לפני mode.

שה� יש,non-preemptiveהואLinuxשל-kernelבגללנפרדים אירועים :שני

ב� הצורך context-גילוי switchשל� contextביצוע switch

הקשר בהחלפת הצורך גילוי

ב� צורך מגלים מצבים contextבארבעה switchשעון1. פסיקת על ה–בתגובה את כילה שתהליך time-לאחר sliceשלו

השגרה( ).()scheduler_tickבעקבות

מהמתנה2. תהליך של בעל–בחזרה תהליך מהמתנה משתחרר שבה פסיקהיותר טובה לריצה(עדיפות המוכנים התהליכים הרץ,משאר התהליך כולל

(

הפעלהמערכות - 4תרגול 5)c חדד) 2003ארז

)כרגע

חוסמתבטיפול3. מערכת להמתנהבקריאת לעבור הקורא לתהליך כך,הגורמתאחר תהליך להריץ מתפנה .שהמעבד

תהליך4. מרצונוכאשר המעבד על כגוןמוותר מערכת .()sched_yieldבקריאת

דגל� להדלקת גורמים הראשונים המצבים שלneed_reschedשניל,התהליך החזרה לפני נבדק userאשר mode.

הקשר4-ו3מצב� ולהחלפת זמן ל ישירה לקריאה גורמים

ב הקשר החלפת ,Linux-ביצוע

.()scheduleפונקצית�schedule()את המפעילה היחידה הפונקציה היא

ההקשר .החלפת

�schedule()למעבד לזימון הבא התהליך יהיה מי בוחרתהקודם� בתרגול שראינו כפי

הפעלהמערכות - 4תרגול 6)c חדד) 2003ארז

לפונקציה� החלפת()context_switchקוראת לביצוע.ההקשר

מתבצעות� הפונקציות חסומותשתי מנת-עלבפסיקותההקשר והחלפת הזמן של רקורסיבית הפעלה ,למנוע

ההפעלה מערכת פעולת לשיבוש לגרום העלול דברהבא� בתרגול שנראה כפי

ב הקשר החלפת ,Linux-ביצוע

הפעולות .סדר

הבא� הביצוע רצף בקירוב היא הקשר :החלפתהנוכחי1. התהליך הקשר נתוני .שמירת

הבא2. התהליך של הגרעין למחסנית שהופך(מעברהחדש הנוכחי התהליך )להיות

הפעלהמערכות - 4תרגול 7)c חדד) 2003ארז

החדש הנוכחי התהליך ).להיות

החדש3. הנוכחי התהליך הקשר נתוני .טעינת

הנוכחי4. התהליך של לביצוע הבאה לכתובת קפיצה.החדש

ב הקשר Linux-החלפתב� תהליך של ההקשר ולכןLinux-מרבית התהליך במתאר מאוחסן

צורך הקשר"לטעון"ו"לשמור"אין החלפת בכל מחדש .אותווהדגלים� הרגיסטרים בעיקר ונטענים נשמרים

והטעינה� בשדה–השמירה התהליך ובמתאר התהליך של הגרעין במחסניתthread

הפעלהמערכות - 4תרגול 8)c חדד) 2003ארז

אליהם� הזיכרון אזורי החלפת גם כוללת ההקשר החלפת פעולתב ניגש User-המעבד Mode:של לאלו הנוכחי התהליך של מאלוהבא התהליך

זאת� הגרעין,עם של הזיכרון באזור מתבצעת ההקשר החלפת שאינו,פעולתמתחלף

הסגמנטים� של הרגיסטרים ערכי את משנים לא הקשר החלפת ,cs(במהלךds, ss, es(,מוחלף אכן התהליך של הזיכרון שאזור .למרות

הוירטואלי� הזיכרון על בתרגול הסבר

Task State Segment)1(

Taskאזור� State Segment – TSSבגרעין זיכרון אזור ,הואבמעבד המתבצע הנוכחי התהליך הקשר מתוך מידע .המכיל

ב� מעבד אזורLinux-לכל .משלוTSSיש

החומרה� של אילוץ הוא זה אזור של )IA32(קיומול TSSל

הפעלהמערכות - 4תרגול 9)c חדד) 2003ארז

ב� משדה הנוכחי התהליך של הגרעין מחסנית כתובת את קורא TSS-המעבדל מעבר Kernel-בעת Mode

בפעולותTSS-ה� גישה בקרת כגון נוספות לפעולות בחומרה I/OמשמשבמערךTSS-ה� מוכלים המעבדים כל .init_tssשל

הקשר� החלפת ביצוע ב,בעת שדות .TSS-מעדכנים

Task State Segment)2(

הגרעין� בקובץ נמצאות ההגדרות

include/asm/processor.hstruct tss_struct {

הפעלהמערכות - 4תרגול 10)c חדד) 2003ארז

..

unsigned long esp0;

..

};

struct tss_struct init_tss[NR_CPUS];

התהליך של הגרעין מחסנית לבסיס מצביע

במעבד הנוכחי

לespערך( kernel-בכניסה mode(

התהליךthreadשדה במתאר

התהליך� מהקשר חלק לשמירת משמש זה שדה

מסוג� הוא זה הגרעיןthread_structשדה בקובץ המוגדרinclude/asm/processor.h:

struct thread_struct {unsigned long esp0; התהליך של הגרעין מחסנית של הבסיס לכתובת מצביע

הפעלהמערכות - 4תרגול 11)c חדד) 2003ארז

unsigned long esp0;unsigned long eip;unsigned long esp;unsigned long fs;unsigned long gs;..union i387_union i387;..

};

ך ש ן ע ס ש ס ס כ ע

הקשר החלפת לאחר לביצוע הבאה לכתובת המצביע את מאחסן

המחסנית לראש המצביע את הקשר)בגרעין(מאחסן בהחלפת

הסגמנטים רגיסטרי את gs-וfsמאחסן

המתימטית היחידה של הרגיסטרים את מאחסן

()context_switchהפונקציה

נקראת� ההקשר החלפת את המבצעת ()context_switchהפונקציהגרעין� kernel/sched.cקובץלמאקרו� קוראת ואז הזיכרון איזורי החלפת את מבצעת זו switch_toפונקציה

והשמירה הטעינה פעולות את המבצע

t t it h()ל ל

הפעלהמערכות - 4תרגול 12)c חדד) 2003ארז

החדש()context_switchהפונקציה� הזימון מאלגוריתם חלק בגרסה.היאהגרעין של רקX.2.4הסטנדרטית switch_toקיים

inline task_t *context_switch(task_t *prev, task_t *next) {

switch_mm....הזיכרון איזורי החלפת קוד

switch_to(prev, next, prev);

return prev;

}

)switch_to)1המאקרו

הגרעין� בקובץ מוגדר include/asm/system.hהמאקרולמאקרו� ,switch_to(prev:הקריאה next, last)

�prevהנוכחי התהליך למתאר המעבד,מצביע על שמוותר

�nextהבא התהליך למתאר המעבד,מצביע את שמקבל

הפעלהמערכות - 4תרגול 13)c חדד) 2003ארז

�lastהחדש הזימון באלגוריתם בשימוש אינו שכבר פרמטר בגרסת.הוא2.4.Xמ,הסטנדרטית החזרה לאחר מצביע זה עלswitch_to-פרמטר

בוצע ממנו התהליך הנוכחיswitch_toמתאר התהליך אל

movl prev, %eax

movl next, %edx

pushl %esi

pushl %edi

pushl %ebp

אלו)gcc(הקומפיילר שרגיסטרים מניח

סוף עד משתנים ישswitch_toאינם ולכן

הרצת בהמשך אותם ולשחזר אותם לשמור

התהליך

)switch_to)2המאקרו

movl %esp, prev->thread.espmovl next->thread.esp, %espmovl $1f, prev->thread.eippushl next->thread.eip

מזו הגרעין מחסניות החלפתשלprevשל זו–nextלזו

ההקשר החלפת נקודת למעשה

שלprevהתהליך מהכתובת ימשיךלרוץ"1"התוית כשיחזור

זוnextהתהליך מכתובת לרוץ ימשיך

הפעלהמערכות - 4תרגול 14)c חדד) 2003ארז

jmp __switch_to1:popl %ebppopl %edipopl %esi

ץך ךswitch_to__בסיום

הגרעין ממחסנית הרגיסטרים שחזור

סיוםnextשל switch_toלפני

switch_to__לפונקציהקפיצה

)switch_to())1__הפונקציה

ההקשר� החלפת במסגרת הפעולות רצף את משלימה זו פונקציהגרעין� arch/i386/kernel/process.cקובץ

מיוחד� באופן מוגדרת :הפונקציהvoid FASTCALL(__switch_to(struct task_struct *prev_p,

הפעלהמערכות - 4תרגול 15)c חדד) 2003ארז

struct task_struct *next_p));

פרמטריםFASTCALLההגדרה� מקבלת שהפונקציה פירושהבמחסנית ולא ברגיסטרים

ל� ייחודית ל(GCC-הגדרה סטנדרטי ):Cלא#define FASTCALL __attribute__(regparm(3))

ברגיסטרים3עד� מועברים ,eaxפרמטרים edx, ecx)לימין )משמאל

בתוךprev_p,לכן� edxבתוךnext_p-וeaxמועבר

ל� לקרוא אפשר אי רגילהswitch_to__למה ?בצורה

חדש� תהליך בהמשך,ret_from_fork–בגלל .שנראה

)switch_to())2__הפונקציה

המאקרו� מתוך קפיצה באמצעות מופעלת זו switch_toפונקציההפונקציה,למעשה( הפרמטרים)()context_switchמתוך כאשר

ברגיסטרים .כבר

jmp __switch_to

הפעלהמערכות - 4תרגול 16)c חדד) 2003ארז

ש� כפונקציה()switch_to__-מכיוון מסתיים,מוגדרת שלה הקודאליהretבפקודת וקופצת מהמחסנית חזרה כתובת .ששולפת

החדש� הנוכחי התהליך של הגרעין מחסנית היא .המחסנית

היא� החזרה המאקרוnext->thread.eipכתובת של בקוד שהוכנסה כפיswitch_to.המקרים התוית,ברוב כתובת המאקרו'1'זוהי ביצוע המשך שלswitch_toהפונקציה .()context_switchבתוך

ראשונהnextאם� פעם שרץ תהליך אחרת,הוא היא שנראההכתובת כפי.בהמשך

)switch_to())3__הפונקציהstruct thread_struct *prev = &prev_p->thread, *next = &next_p->thread;struct tss_struct *tss = init_tss + smp_processor_id();

unlazy_fpu(prev_p);

tss->esp0 = next->esp0;..

הרגיסטרים של ושחזור שמירה

המתימטית היחידה של

הגרעין מחסנית מצביע עדכון

ב הנוכחי התהליך TSS-של

הפעלהמערכות - 4תרגול 17)c חדד) 2003ארז

..movl %fs, prev->fsmovl %gs, prev->gsif (prev->fs | prev->gs | next->fs | next->gs) {

..movl next->fs, %fsmovl next->gs, %gs..

}/* load debug registers *//* load IO permission bitmap */return;

ושחזור שמירהgs-וfsשל

ך

....שאלה

contextלמה� switchקוד קטעי משלושה מורכב

?נפרדים

�context switch()-פונקציתCהנמצאת כללית

הפעלהמערכות - 4תרגול 18)c חדד) 2003ארז

�context_switch()ת הנמצאתCפונקצ ת כלל

ה של .kernel-בספריה

�switch_to–באסמבלר למעבד,מאקרו ,ספציפי

למעבד מיוחדת בספריה .i386מופיע

�__switch_to–פונקציתC,למעבד .ספציפית

context_switch:

……

switch_to:

movl $1f, prev->thread.eip

pushl next->thread.eip

switch to:

$1f

prev

task_struct

thread.eipthread.esp

הגרעין מחסנית

התהליך של

prevebpediesi

של מסגרת

context_switch()

nexttask_structמחסנית

הגרעין

של

התהליךthread.eip$1f

thread espediesi

של מסגרת

context_switch()

)c(חדד 419תרגול-הפעלהמערכות2003ארז

ret

eip

של הביצוע nextהמשך

$1febpediesi

של מסגרת

context_switch()1:

s tc _to:__……

… esp

ך

nextthread.esp

$1febpedi

של הרגיסטרים Userשמירת Mode

רגיסטר מכילשם נשמרמה נשמראיפה מתי

ss:espלמחסנית מצביע

רגילה

במחסנית"ע חומרה י

הגרעין

תחילת עם מייד

ל kernelהמעבר

ב� משתמש התהליך שבהם הרגיסטרים User-מרבית Modeל במעבר Kernel-נשמרים Mode)בתרגול חלקית דוגמה )2ראינו

הפעלהמערכות - 4תרגול 20)c חדד) 2003ארז

mode

eflagsאוטומטי באופן נשמר

הגרעין במחסנית

לטיפול קפיצה בעת

בפסיקה

cs:eipהחזרה אוטומטיכתובת באופן נשמר

אחרי הגרעין במחסנית

eflags

לטיפול קפיצה בעת

בפסיקה

es,ds,eax,

ebp,edi,esi,edx,ecx,ebx

במחסנית נשמרים

דרך SAVE_ALLהגרעיןשגרת בתחילת

בפסיקה הטיפול

של הרגיסטרים Kernelשמירת Modeהגרעין� בתוך הביצוע הקשר שמירת לגבי ?ומה

עלswitch_toהמאקרו� רגיסטרים ערכי מבחינת משפיע ,()context_switchאינומהפונקציה החזרה לפני ממש מופעל שהוא משום

�ebp, esi, edi-במאקרו ומשוחזרים במחסנית .switch_toנשמרים

�ebx– ערךebx מלפני הקריאה ל-switch_to אינו בשימוש לאחר הקריאה ולכן לא)()context_switchי "כן נשמר ומשוחזר ע(נשמר

הפעלהמערכות - 4תרגול 21)c 2003ארז חדד )

)()context_switchי "כן נשמר ומשוחזר ע(נשמר

�ecx, edx, eax - י הפונקציה "נשמרים במחסנית עschedule()

אינו משתמש בהם switch_toהמאקרו �

-callerמתקיימים יחסי ()context_switchלפונקציה ()scheduleבין הפונקציה �callee ) לכן בפונקציה , )2כפי שראינו בתרגול , פונקציה נקראת/ פונקציה קוראת

schedule() לא מניחים שערכי הרגיסטרים פרט ל-ebx, ebp, esi, edi משתמרים

�esp ו-eip נשמרים בתוךthread_struct לפני החלפת ההקשר בswitch_to.

אינם משתנים בהחלפת הקשר ולכן אינם נשמרים הרגיסטרים של הסגמנטים�

י תהליכים ולכן נשמרים"שלפעמים נמצאים בשימוש מיוחד ע, gs-ו fsלמעט �

TSSנשמר ב thread_struct.esp0השמור ב בסיס מחסנית הגרעין�

)Linux )1-יצירת תהליך חדש ב

קריאות המערכת המשמשות ליצירת תהליכים חדשים �משתמשות בפונקציה פנימית של הגרעין ) ()forkכדוגמת (

לבניית ההקשר של התהליך החדש ()do_forkהקרויה kernel/fork.cקובץ גרעין �

הפעלהמערכות - 4תרגול 22)c 2003ארז חדד )

מעתיקה את מרבית הנתונים ()do_forkהפונקציה �ממתאר תהליך האב למתאר חדש של תהליך הבן שהיא

יוצרתבעלות משותפת על משאבי , )file descriptors(קבצים פתוחים �

מערכת

פרטים –העתקת תכולת הזיכרון מתבצעת בשיטה מיוחדת �בתרגולים הבאים

)Linux )2-יצירת תהליך חדש ב

בונה מחסנית גרעין לתהליך הבן ()do_forkהפונקציה � ()copy_threadי קריאה לפונקציה "ע

בני "מתאר תהליך הבן מקושר לרשימת התהליכים ו�SET_LINKSי המאקרו "ע" משפחתו

הפעלהמערכות - 4תרגול 23)c 2003ארז חדד )

SET_LINKSי המאקרו "ע" משפחתושל תהליך הבן למתאר תהליך הבן pid-הקישור בין ה�

()hash_pid-י קריאה ל"מופעל ע-ומוכנס ל TASK_RUNNINGתהליך הבן מועבר למצב �

runqueue י קריאה ל"ע-wake_up_process()של pid-מחזירה את ה ()do_forkהפונקציה , לסיום�

וערך זה מוחזר לבסוף לתהליך האב, תהליך הבן

)copy_thread() )1הפונקציה

מאתחלת את תכולת ) arch/i386/kernel/process.cקובץ גרעין (פונקציה זו �להלן . במתאר תהליך הבן threadמחסנית הגרעין של תהליך הבן ואת שדה

תיאור של עיקר הקוד�p מצביע למתאר תהליך הבן

�regs מצביע לרגיסטרים שאוחסנו במחסנית הגרעין של האב באמצעות הקפיצהkernel mode-במהלך המעבר ל SAVE_ALL -לפסיקה ו

Linux-יצירת תהליך חדש ב

הפעלהמערכות - 4תרגול 24)c 2003ארז חדד )

kernel mode-במהלך המעבר ל SAVE_ALL -לפסיקה ו�struct pt_regs הוא רשומה המכילה את ערכי הרגיסטרים בדיוק בסדר בו הם

SAVE_ALL -מאוחסנים במחסנית באמצעות הקפיצה לפסיקה וstruct pt_regs* childregs;

childregs מצביע על תחילת המקום בו מאוחסנים הרגיסטרים במחסניתchildregs = ((struct pt_regs *)(8192 + (unsigned long) p)) – 1;

העתקת הרגיסטרים ממחסנית הגרעין של האב למחסנית הגרעין של הבןstruct_cpy(childregs, regs);

()forkמביצוע 0לתהליך הבן מוחזר ערך , 2כזכור מתרגול childregs->eax = 0;

)copy_thread() )2הפונקציה

p->thread.esp צריך להצביע על ראש מחסנית הגרעין בתחילת הביצוע

p->thread.esp = (unsigned long) childregs;

p->thread.esp0 צריך להצביע על בסיס מחסנית הגרעין

p->thread.esp0 = (unsigned long) (childregs + 1);

הפעלהמערכות - 4תרגול 25)c 2003ארז חדד )

p->thread.esp0 = (unsigned long) (childregs + 1);

ret_from_forkבתחילת הביצוע תהליך הבן יריץ את p->thread.eip = (unsigned long) ret_from_fork;

ושאותה pushl next->thread.eip ידחוף למחסנית בפקודה switch_toזו הכתובת ש

)16ראה שקף . (switch_to__יוציא מהמחסנית

/* save fs and gs registers in thread field */

/* copy saved math regs in thread field from father to son */

()ret_from_forkהפונקציה

פונקציה זו מופעלת כאשר תהליך הבן מזומן לראשונה למעבד �לאחר החלפת הקשר

arch/i386/kernel/entry.Sהפונקציה מוגדרת בקובץ הגרעין �ret_from_fork:check need_resched

הפעלהמערכות - 4תרגול 26)c 2003ארז חדד )

check need_resched…

jmp ret_from_sys_callיגרום לתהליך ret_from_sys_callביצוע , 2כפי שראינו בתרגול �

לאחר שנשלפו כל הרגיסטרים user mode- הבן לחזור למהמחסנית

()forkיגרום לסיום הקריאה ret_from_fork-ביצוע הקוד ב, למעשה�0בתהליך הבן עם ערך מוחזר

ss

esp

eflags

cs

eip

orig_eax

es

ds

נשמר בכל תחילת eaxערך

טיפול בפסיקה

נשמר על ידי הקפיצה

לפסיקה

מצביע למחסנית

user -התהליך בmode

.

.

.

ret_from_forkstruct pt_regs

task_struct

thread.esp0

thread.eip

p

הפעלהמערכות - 4תרגול 27)c 2003ארז חדד )

ds

eax=0

ebp

edi

esi

edx

ecx

ebx

SAVE_ALLנשמר על ידי

ret_from_fork

.

.

.

struct pt_regsthread.eip

thread.esp

)1(סיום ביצוע תהליך

()exitי קריאת המערכת "תהליך מסיים את ביצוע הקוד ע�מתבצעת , ()exit-אם קוד התהליך לא קורא במפורש ל�

()mainלאחר שהפונקציה ()exit-קריאה אוטומטית לlibcמתוך הספריה , חוזרת

הפעלהמערכות - 4תרגול 28)c 2003ארז חדד )

libcמתוך הספריה , חוזרת- שקוראת ל ()libc_start_main__מתוך פונקצית הספריה �

main() בתחילת ביצוע התכנית

ביצוע קוד תהליך יכול גם להיקטע בעקבות אירועים �נוספים

כגון גישה לא חוקית , תקלה לא מטופלת במהלך ביצוע הקוד�0- לזיכרון או חלוקה ב

ידי תהליך אחר- הריגת תהליך אחד על�

)2(סיום ביצוע תהליך

מופעלת בכל מקרה של סיום ביצוע ()do_exitהפונקציה �התהליך

kernel/exit.cקובץ גרעין �:פונקציה זו מבצעת את הפעולות הבאות, בין השאר�

משחררת את המשאבים שבשימוש התהליך�

הפעלהמערכות - 4תרגול 29)c 2003ארז חדד )

משחררת את המשאבים שבשימוש התהליך�

במתאר התהליך להכיל את exit_codeמעדכנת את שדה �()exitי "הערך המוחזר ע

כל בניו של התהליך שסיים הופכים : מעדכנת קשרי משפחה�initלהיות בנים של

TASK_ZOMBIE-מעבירה את מצב התהליך ל� runqueue-שמוציאה את התהליך מה, ()schedule-קוראת ל�

ביצוע התהליך מסתיים . ומזמנת תהליך אחר לביצוע במעבדswitch_toסופית בביצוע

)3(סיום ביצוע תהליך

מתאר התהליך מפונה רק כאשר תהליך האב מקבל חיווי �()waitבאמצעות קריאה כדוגמת , על סיום התהליך

י הפונקציה "פינוי מתאר התהליך מבוצע ע�release_task()

הפעלהמערכות - 4תרגול 30)c 2003ארז חדד )

release_task()kernel/exit.cקובץ גרעין �

מנתקת את התהליך מרשימת , בין השאר, פונקציה זו� pid- וממנגנון הקישור ל) REMOVE_LINKS(התהליכים

)unhash_pid()( , ומפנה את השטח המוקצה למתארהתהליך ומחסנית הגרעין