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进程与线程：05 内核级线程实现

news 来源：原创 2025/7/21 0:55:02

内核级线程代码实现概述

这节课我们要讲内核级线程到底是怎么做出来的，实际上就是要深入探讨内核级线程的代码实现。

在前两节课中，我们学习了用户级线程和内核级线程是如何进行切换的，以及实现切换的核心要点。那两节课讲述的内容，是内核级线程和用户级线程切换在理论层面的样子，也就是其原理，核心在于栈的切换，是由TCB（线程控制块）引发的栈切换。而这节课，我们将重点聚焦于内核级线程的代码实现。

为什么这里主要强调内核级线程的代码实现呢？因为我们知道，进程实际上是由两部分组成的：一部分是资源，另一部分是执行序列，而执行序列实际上就是线程。由于进程必须进入内核，所以进程里的执行序列就是内核级线程。学会了内核级线程的代码实现，进程的代码实现就完成了大半，再加上资源管理（主要是内存管理）以及后面关于内存部分的内容，进程就可以在内核中，也就是在操作系统中得以实现。一旦完成进程在操作系统中的实现，一个完整的操作系统的雏形也就具备了。当然，要实现一个能完整运行的操作系统，你可以不支持内核级线程和用户级线程，但必须支持进程，因为只有支持进程，操作系统才能管理好CPU，否则就不能称之为操作系统。

简单来说，我们必须学会内核级线程的代码实现，再结合后面内存管理部分关于进程的代码实现，两部分结合，进程就能实现，而这就是整个操作系统框架中最核心的部分。我们一开始就说过，要具备编写一个基本操作系统的能力，所以这部分内容必不可少。

内核级线程实现原理回顾

接下来，我们看看内核级线程要实现代码编写，必须涉及哪些关键性代码。首先，再具体回顾一下，内核级线程要实现，在理论上应该是什么样的。
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前面讲过，实现内核级线程的关键在于两套栈之间的切换。线程一旦进入内核，就使用内核栈，内核栈和用户栈通过int指令，经CPU解释后自动关联在一起。在内核中执行任务时，最终可能需要进行线程切换，也就是调度到另外一个线程去执行。

要调度到另一个线程，首先要进行TCB切换，线程控制块切换完成后，由于线程控制块里有内核栈的指针，所以内核栈也会随之切换。内核栈切换后，线程在内核栈上运行一段时间，处理完收尾工作，再通过iret指令，用户栈也跟着完成切换。

整个过程就是从用户栈到内核栈，再到TCB切换，然后内核栈切换，最后通过iret实现用户栈切换。从用户角度来看，他们看不到内核中这一系列操作，只感知到从一个栈到另一个栈的切换，同时对应的指令执行序列，即PC指针也会切换过去，整个过程包含五段，这就是我们所说的 五段论。这个图我反复讲过多次，希望大家牢记，只有在脑海中形成这个图像，后面的代码才能看懂，理解起来才会顺理成章。

以fork系统调用为例分析代码实现

选择fork的原因

接下来开始讲解代码。一个用户程序进入内核依靠的是中断，更具体地说是系统调用。当然还有其他中断，如键盘中断、时钟中断等，但这些离我们当前的内容较远，像fork这种由系统调用引起的中断更为常见，所以我们就从这个中断入手。
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选择fork不仅因为它有可能引发线程切换，还因为fork是进入内核的操作，进程在内核中执行某些操作时，操作系统可能会判定当前进程不应继续执行而进行切换，比如执行到磁盘读写操作时。而且fork本身是创建进程的系统调用，进程由资源和执行序列组成，创建进程既要创建资源，也要创建执行序列，创建执行序列本质就是创建线程，所以fork对应的代码实际上就是创建线程的代码。从fork这个点切入，我们可以弄清楚两件事：一是线程如何切换，以及“五段论”在代码层面如何具体实现；二是创建一个内核级线程需要做哪些事情，是不是像前面说的，只要创造出能够切换的条件就可以。

中断入口：建立内核栈与用户栈关联

当用户程序执行到 fork 函数时，在代码层面，fork 会被编译成 int 0x80 指令。执行这条指令时，CPU 会自动进行一系列操作：找到当前的内核栈，并将当前的 SS（段选择子）和 ESP（栈指针），以及 CS（代码段寄存器）和 IP（指令指针）压入内核栈。此时，SS 和 SP 指向的是用户栈，因为 int 指令还未执行完，尚未进入内核态。这一步就完成了用户栈和内核栈的初步关联，也是 “五段论” 中的第一段。
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紧接着，进入中断处理阶段，int 0x80 对应的中断处理函数是 system_call。在 system_call 函数中，还会进行一些压栈操作，目的是将用户态执行时的相关寄存器内容保存起来，以便后续能够从内核态返回到用户态时恢复现场。到这一步，用户态执行的相关信息都被保存在了内核栈中。

内核执行与调度判断

在完成上述操作后，会通过调用系统调用表（sys_call_table），进入到内核中具体处理 fork 的函数 sys_fork。在 sys_fork 执行过程中，可能会出现需要进行线程切换的情况。例如，当执行一些涉及 I/O 操作（如 read、write）的系统调用时，进程可能会因为等待 I/O 完成而被阻塞，此时就需要进行线程切换。在代码中，通过判断当前进程（current）的状态（state）来决定是否进行调度。如果 state 不为零（在 Linux 0.1 中，非零表示阻塞），就会调用 schedule 函数进行调度，这就涉及到了 “五段论” 中的中间三段。

调度与栈切换：中间三段的实现

当需要进行调度时，会执行 schedule 函数。在 schedule 函数中，首先会通过调度算法找到下一个要执行的进程（或内核级线程），这个过程我们会在后续专门讲解调度算法。找到下一个进程后，会执行 switch_to 函数来完成切换。
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在 Linux 0.1 中，当前使用的切换方式是基于 TSS（任务段，Task Struct Segment）进行切换，不过我们实验的目标是将其改为基于内核栈的切换。基于 TSS 的切换，其原理是利用一条长跳转指令，通过修改任务段寄存器 TR 来实现。每个 TSS 段都有对应的描述符，TR 作为选择子，通过描述符找到 TSS 段。当执行长跳转指令时，会将当前 CPU 的所有寄存器状态保存到当前 TR 指向的 TSS 段中，然后将新的 TSS 段（对应下一个要执行的进程）的选择子赋给 TR，这样就完成了任务段的切换。由于 TSS 段中包含了 CPU 所有寄存器的信息，也就相当于完成了栈（ESP）和指令指针（EIP）等关键内容的切换，从而实现了线程的切换。但这种方式虽然代码编写相对简单，执行效率却比较低，这也是我们要进行改进的原因。

中断出口：完成用户栈切换

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当调度完成，执行完 schedule 函数后，会返回到之前的调用点，接下来就到了中断返回阶段，这是 “五段论” 中的最后一段。在中断返回时，会执行一系列的 pop 操作，将之前保存在内核栈中的用户态寄存器内容弹出，恢复用户态的执行现场。最后执行 iret 指令，将内核栈中的 CS 和 EIP 弹出，切换回用户栈，完成整个线程切换过程，使得下一个线程能够从用户态继续执行。

fork 创建进程（线程）的具体实现

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在 fork 执行过程中，调用 sys_fork 后，会进一步调用 copy_process 函数来创建子进程。copy_process 函数的参数来自于内核栈，这些参数包含了父进程在用户态执行时的相关信息，如 ESP（用户栈指针）等，通过这些参数，copy_process 函数能够创建出与父进程相似的子进程。
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在 copy_process 函数中，首先会通过 get_free_page 函数获取一页内存，用于创建 PCB（进程控制块）。获取内存后，会进行一系列关键操作来设置 TSS：

设置内核栈： 将内核栈的栈顶指针设置为申请的内存页地址（p）加上 4K（PAGE_SIZE），即p + PAGE_SIZE，同时将内核数据段（这里内核数据段和内核堆栈段共用一个段）的选择子赋给 TSS 中的相关字段。

设置用户栈： 使用父进程传递过来的用户栈指针等信息，设置子进程的用户栈，使得子进程和父进程使用相同的用户栈（在用户态层面），但拥有独立的内核栈，这样在内核看来，它们是两个独立的进程（线程）。

关联与初始化： 通过这一系列操作，完成了 PCB、内核栈和用户栈的创建，并建立了它们之间的关联，同时也对 TSS 进行了初始化，为后续的线程切换做好了准备。
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当子进程被调度执行时，通过 switch_to 函数，会将 TSS 中初始化好的内容加载到 CPU 寄存器中，其中 EIP 被设置为父进程中 int 指令执行完后的下一条指令地址，eax 被设置为 0（这是区分父子进程执行不同代码的关键）。这样，当子进程开始执行时，会根据 eax 的值（子进程为 0，父进程不为 0），执行不同的代码分支，从而实现了父子进程的不同执行逻辑，形成了 “叉子” 的两股。

exec 系统调用实现代码替换

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我们前面讲过，创建线程后，还需要让线程执行特定的函数。在 Linux 0.1 中，虽然不直接支持创建线程执行指定函数的功能，但进程执行时可以通过 exec 系统调用实现类似效果。

当调用 exec 系统调用进入内核后，在 exec 尚未执行实际工作之前，子进程和父进程执行的是相同的代码。而 exec 的作用，就是替换子进程的执行代码。那么它是如何做到的呢？
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在 exec 系统调用对应的内核函数执行过程中，会进行一些关键操作。首先会进行压栈操作，压入的内容包括参数、当前栈指针（ESP）和一个偏移量（用于计算 EIP 地址）。通过将 ESP 加上特定的偏移量（如 0x1c，十进制为 28），可以得到要执行的新代码的入口地址（entry），将这个地址赋给 EIP。这个入口地址通常来自于可执行文件的文件头，是在编译和链接阶段写入的。在内核栈设置好相关内容后，当执行中断返回的 iret 指令时，会从内核栈中弹出 EIP 的值，赋给 CPU 的指令指针寄存器，这样 CPU 就会从新的入口地址开始执行代码，从而实现了代码的替换，使得子进程能够执行新的程序（如 ls 命令对应的程序）。
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通过以上对 fork 和 exec 系统调用的分析，我们可以看到内核级线程的代码实现涉及到多个方面，包括中断处理、栈切换、进程创建与调度、代码替换等。这些操作虽然复杂，但核心代码其实并不多，主要就是 int 指令相关操作、switch_to 中的长跳转指令（或基于内核栈切换的相关代码）以及 iret 指令，再加上一些辅助代码。只要理解了这些核心代码和整体的执行逻辑，我们就能够掌握内核级线程的代码实现，进而为编写操作系统的核心部分打下坚实的基础。希望大家通过学习和实验，能够深入理解并熟练掌握这些内容，逐步实现自己的操作系统梦想。

内核级线程代码实现概述

内核级线程实现原理回顾

以fork系统调用为例分析代码实现

选择fork的原因

中断入口：建立内核栈与用户栈关联

内核执行与调度判断

调度与栈切换：中间三段的实现

中断出口：完成用户栈切换

fork 创建进程（线程）的具体实现

exec 系统调用实现代码替换

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