项目二 GeekOS入门

探索用户态编程：深入了解 GeekOS 项目的第二阶段

在 GeekOS 操作系统的第二次迭代中，我们将深入用户态编程的领域，揭开用户态进程如何与系统交互的神秘面纱。

用户态的进程

在计算机系统中，进程是正在执行的程序。它们可以分为两种类型：用户态进程和内核态进程。用户态进程运行在受限的环境中，只能访问有限的资源。相比之下，内核态进程具有完全的系统访问权限。

从用户态到内核态的切换

当用户态进程需要执行系统调用时（如访问文件或创建新进程），就会发生从用户态到内核态的切换。系统调用是用户态进程与内核沟通的一种方式。

在进行系统调用时，处理器会保存当前的用户态寄存器值，然后切换到内核态并加载内核态寄存器值。这允许用户态进程访问内核态资源，例如设备驱动程序和系统数据。

用户态和内核态之间的交互

用户态进程与内核态进程之间通过中断和系统调用进行交互。中断是由硬件或软件事件触发的，它会强制处理器从当前任务切换到处理中断。系统调用则是用户态进程主动发起的请求，需要内核态进程的帮助。

实现用户态进程

在 GeekOS 中，我们实现了七个核心函数来管理用户态进程：

• init_process()： 初始化进程的内存和寄存器。
• create_process()： 创建新进程并将其添加到就绪队列中。
• destroy_process()： 从就绪队列中移除进程并释放其内存。
• block_process()： 将进程从就绪队列移动到阻塞队列。
• unblock_process()： 将进程从阻塞队列移动到就绪队列。
• yield()： 当前进程让出 CPU，将其移动到就绪队列的末尾。
• exit()： 销毁进程并返回控制权给内核。

系统调用：桥接用户态和内核态

系统调用是用户态进程调用内核态函数的机制。在 GeekOS 中，我们实现了 system_call() 函数，它允许用户态进程访问内核态服务，例如文件 I/O 和进程管理。

代码示例

以下代码示例展示了 create_process() 函数的实现：

int create_process(struct task_struct *parent, struct task_struct *child)
{
    int pid;

    // 分配新 PID
    pid = alloc_pid();
    if (pid < 0) {
        return -ENOMEM;
    }

    // 初始化子进程的任务结构
    child->pid = pid;
    child->parent = parent;
    child->state = TASK_READY;
    child->stack = (unsigned long *)get_free_page();
    if (!child->stack) {
        return -ENOMEM;
    }

    // 设置子进程的寄存器
    set_registers(child);

    // 将子进程添加到就绪队列
    add_to_ready_queue(child);

    return pid;
}

总结

GeekOS 的第二阶段为我们提供了深入了解用户态进程和内核态进程之间的交互。我们实现了核心函数来管理进程，并通过系统调用建立了用户态和内核态之间的桥梁。

常见问题解答

• Q：什么是用户态进程？
  A：用户态进程运行在受限的环境中，只能访问有限的资源。

• Q：如何从用户态切换到内核态？
  A：通过系统调用或中断。

• Q：system_call() 函数的作用是什么？
  A：允许用户态进程调用内核态函数。

• Q：GeekOS 中的用户态进程管理是如何实现的？
  A：通过一系列核心函数，包括 init_process()、create_process() 和 destroy_process()。

• Q：用户态进程如何与内核态进程交互？
  A：通过系统调用、中断和系统数据结构。