xv6 chapter5 first

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1. xv6 chapter5 first Tomoya Ishizaki
2. はじめに • OSは複数のプロセスを一つの物理的なCPUに 多重化している • 多重化によって各プロセスがそれぞれ固有の 仮想的なCPUを持つように動作可能 • xv6がどのように多重化を実現しているか見ていく
3. 今日の内容 スケジューリング（前半） • 多重化 • コンテキストスイッチ • スケジューリング
4. 今日のコード • コード：コンテキストスイッチ ◦ struct context ◦ void swtch(struct context **old, struct context *new) • コード：スケジューリング ◦ void trap(struct trapframe *tf) ◦ void yield(void) ◦ void sched(void) ◦ void scheduler(void) • コード：mycpu & myproc ◦ struct cpu ◦ struct cpu* mycpu(void) ◦ struct proc* myproc(void)
5. 今日の内容 スケジューリング（前半） • 多重化 • コンテキストスイッチ • スケジューリング
6. 多重化
7. 多重化とは • 一つの物理的な資源を複数に分割して使用し, 実際よりも多く見せること • 時間分割による多重化 ◦ CPUなど • 空間分割による多重化 ◦ メモリなど
8. xv6はどのように多重化を実現しているか • 各CPUを時間分割し, プロセスを切り替える • xv6では2つのタイミングでプロセスを切り替え ◦ デバイスやパイプのI/Oなど（自分自身で待機） ▪ 詳しくは後半 ◦ タイマー割り込みなど（強制的に切り替え） ▪ これから見ていく
9. 多重化の実現には, いくつか課題が存在する 1. どうやって切り替えるか 2. どうやって透明的に行うか 3. どうやって競合を防ぐか 4. どうやって資源を解放するか
10. OSには, プロセス間調整の手段が必要 • 詳しくは後半 ◦ 親プロセスが子プロセスの終了を待つ ◦ パイプを読むとき, 書き込み完了を待つ ◦ デバイスI/O待ちなどCPUを使用していないとき, スリープして他プロセスを起こす
11. 今日の内容 スケジューリング（前半） • 多重化 • コンテキストスイッチ • スケジューリング
12. コンテキストスイッチ
13. コンテキストスイッチとは • プロセスのコンテキストを切り替える • コンテキスト ◦ スタック ◦ レジスタ ◦ など
14. どうやってコンテキストスイッチを行うか • 低レイヤでは, 二種類の スイッチを行っている • 各CPUは, 固有の隔離された スケジューラスレッドをもつ • ユーザープロセスが 他のユーザープロセスに 直接スイッチすることはない ユーザープロセスからスケジューラへ スケジューラからユーザープロセスへ
15. どうやってスレッドを切り替えるか • context ◦ xv6では5つのレジスタセットを保存する • 保存と復元 ◦ 現在のスレッドのcontextを保存 ◦ 以前保存したスレッドのcontextを復元
16. 今日のコード • コード：コンテキストスイッチ ◦ struct context ◦ void swtch(struct context **old, struct context *new) • コード：スケジューリング ◦ void trap(struct trapframe *tf) ◦ void yield(void) ◦ void sched(void) ◦ void scheduler(void) • コード：mycpu & myproc ◦ struct cpu ◦ struct cpu* mycpu(void) ◦ struct proc* myproc(void)
17. コード：コンテキストスイッチ
18. struct context • コンテキストスイッチのために ５つのレジスタセットを保存する https://github.com/mit-pdos/xv6-public/blob/master/proc.h#L27
19. struct context • 汎用レジスタの一部を保持する ◦ %edi, %esi, %ebx, %ebp • %eipも保持する ◦ swtch()で明示的に操作している わけではないが, allocproc()内で 保存している ◦ 詳しくは１章 https://github.com/mit-pdos/xv6-public/blob/master/proc.h#L27
20. void swtch(struct context **old, struct context *new) • contextを使ってレジスタを切り替える • contextの保存と復元 ◦ old（古いcontext）を保存 ◦ new（新しいcontext）を復元 • アセンブラで実装されている https://github.com/mit-pdos/xv6-public/blob/master/swtch.S
21. void swtch(struct context **old, struct context *new) • **old, *new（引数）とswtchのリターンアドレス（戻り先）が カーネルスタックに積んである • *newは移り先のプロセスのカーネルスタックを指している https://github.com/mit-pdos/xv6-public/blob/master/swtch.S ... %eip（戻り先） %ebp %ebx %esi %edi ... ... *new **old %eip（戻り先） *new oldのカーネルスタック newのカーネルスタック %esp
22. void swtch(struct context **old, struct context *new) • %eax が **old を指すようになる • %edx が *new を指すようになる https://github.com/mit-pdos/xv6-public/blob/master/swtch.S ... %eip（戻り先） %ebp %ebx %esi %edi ... ... *new **old %eip（戻り先） %edx oldのカーネルスタック newのカーネルスタック %eax %edx %esp
23. void swtch(struct context **old, struct context *new) • 現在のレジスタをスタックに保存する https://github.com/mit-pdos/xv6-public/blob/master/swtch.S ... %eip（戻り先） %ebp %ebx %esi %edi ... ... *new **old %eip（戻り先） %ebp %ebx %esi %edi %edx oldのカーネルスタック newのカーネルスタック %eax %edx %esp
24. void swtch(struct context **old, struct context *new) • *old（%eaxの指すところ）が %esp を指すようになる https://github.com/mit-pdos/xv6-public/blob/master/swtch.S ... %eip（戻り先） %ebp %ebx %esi %edi ... ... *new **old %eip（戻り先） %ebp %ebx %esi %edi %edx oldのカーネルスタック newのカーネルスタック %esp %edx *old %eax
25. void swtch(struct context **old, struct context *new) • %esp が %edx を指すようになる（スタックが切り替わる） https://github.com/mit-pdos/xv6-public/blob/master/swtch.S ... %eip（戻り先） %ebp %ebx %esi %edi ... ... *new **old %eip（戻り先） %ebp %ebx %esi %edi %edx oldのカーネルスタック newのカーネルスタック *old %edx %esp %eax
26. void swtch(struct context **old, struct context *new) • スタックから保存したレジスタを取り出して復元する https://github.com/mit-pdos/xv6-public/blob/master/swtch.S ... %eip（戻り先） ... ... *new **old %eip（戻り先） %ebp %ebx %esi %edi %edx oldのカーネルスタック newのカーネルスタック %eax %edx %esp
27. void swtch(struct context **old, struct context *new) • リターンアドレス（関数の戻り先）にJMPして終了 https://github.com/mit-pdos/xv6-public/blob/master/swtch.S ... %eip（戻り先） ... ... *new **old %eip（戻り先） %ebp %ebx %esi %edi %edx oldのカーネルスタック newのカーネルスタック %eax %edx %esp
28. 今日の内容 スケジューリング（前半） • 多重化 • コンテキストスイッチ • スケジューリング
29. スケジューリング
30. プロセスを切り替える一連の流れを見ていく • ユーザープロセスからスケジューラにスイッチ • スケジューラから別のユーザープロセスにスイッチ ※ sched関数がスケジューラへの入り口となる
31. スケジューラを呼ぶまでの一連の流れ • ptable.lockを獲得する • proc->stateを更新する • sched関数を呼び出す
32. 今日のコード • コード：コンテキストスイッチ ◦ struct context ◦ void swtch(struct context **old, struct context *new) • コード：スケジューリング ◦ void trap(struct trapframe *tf) ◦ void yield(void) ◦ void sched(void) ◦ void scheduler(void) • コード：mycpu & myproc ◦ struct cpu ◦ struct cpu* mycpu(void) ◦ struct proc* myproc(void)
33. コード：スケジューリング
34. void trap(struct trapframe *tf) https://github.com/mit-pdos/xv6-public/blob/master/trap.c#L105 • プロセスが実行中かつタイマー割り込みが発生した場合, yield関数を呼び出す • 詳しくは3章
35. void yield(void) • ptable.lockを獲得する • proc->stateを更新する ◦ RUNNINGから ◦ RUNNABLEに • sched関数を呼び出す • ptable.lockを解放する https://github.com/mit-pdos/xv6-public/blob/master/proc.c#L385
36. void sched(void) • スケジューラへの入り口 • エラーチェックを行ってから スケジューラへスイッチする https://github.com/mit-pdos/xv6-public/blob/master/proc.c#L365
37. void sched(void) • エラーチェックを行い, 不正な 状態だった場合, panic()を呼ぶ ◦ ptable.lockを獲得している ◦ ロックされている ◦ プロセスが実行中である ◦ 割り込みを無効化している • 詳しくは4章 https://github.com/mit-pdos/xv6-public/blob/master/proc.c#L365
38. void sched(void) • 現在のCPUのintenaを保存する ◦ pushcliの前に割り込みが 有効だったかを表すフラグ ◦ 詳しくは4章 • intenaはカーネルスレッド固有 • スレッドが切り替わる際には保存し, 復帰した際に引き継ぐ必要がある https://github.com/mit-pdos/xv6-public/blob/master/proc.c#L365
39. void sched(void) • swtchを呼ぶ ◦ **old ▪ プロセスのcontext ◦ *new ▪ CPUのスケジューラ https://github.com/mit-pdos/xv6-public/blob/master/proc.c#L365
40. void scheduler(void) • CPUごとに実行され続ける スケジューラプロセス • 以下のループを繰り返す ◦ 実行するプロセスを選択 ◦ コンテキストスイッチ ◦ 再びスケジューラに https://github.com/mit-pdos/xv6-public/blob/master/proc.c#L32
41. void scheduler(void) • 割り込みを有効にする ◦ 実行するプロセスが存在 しなかったときのため ◦ アイドリング • ptable.lockを獲得する • 何らかの処理 • ptable.lockを解放する https://github.com/mit-pdos/xv6-public/blob/master/proc.c#L32
42. void scheduler(void) • 実行可能なプロセスが見つかる まで順番に探索する • ラウンドロビン https://github.com/mit-pdos/xv6-public/blob/master/proc.c#L32
43. void scheduler(void) • CPUのプロセスに選択した プロセスを設定する • switchuvm()でプロセスの ページテーブルに切り替える ◦ 詳しくは2章 • プロセスを実行中にする https://github.com/mit-pdos/xv6-public/blob/master/proc.c#L32
44. void scheduler(void) • swtchを呼ぶ ◦ **old ▪ CPUのスケジューラ ◦ *new ▪ プロセスのcontext https://github.com/mit-pdos/xv6-public/blob/master/proc.c#L32
45. void scheduler(void) • ページテーブルを切り替える ◦ 詳しくは2章 • CPUのプロセスを初期化する https://github.com/mit-pdos/xv6-public/blob/master/proc.c#L32
46. なぜptable.lockが必要なのか • xv6におけるinvariantの例 ◦ プロセス実行中にタイマー割り込みが発生した場合 , 別のプロセスにスイッチ可能 ▪ CPUのレジスタがプロセスの contextを保持している ▪ %cr3がプロセスのページテーブルを指している ▪ %espがプロセスのカーネルスタックを指している ◦ あるプロセスが実行可能のとき , スケジューラはそのプロセスを実行可能 ▪ プロセスのcontextがカーネルスレッドの値を保持している ▪ どのCPUもプロセスのカーネルスタック上で実行されていない ▪ どのCPUの%cr3もプロセスのページテーブルを指していない ▪ どのCPUのcpu->procもそのプロセスのことを指していない • invariantを保つために, ptable.lockの獲得が必要
47. コード：mycpu & myproc
48. struct cpu • それぞれのCPUの状態を管理する ◦ Local APIC（プロセッサ固有のID） ◦ スケジューラ ◦ など https://github.com/mit-pdos/xv6-public/blob/master/proc.h#L2
49. struct cpu* mycpu(void) • プロセスが実行されている CPUを返す • 割り込みを無効化してから 呼ばなくてはならない ◦ 関数実行中（for等）に 割り込みが発生 ◦ 違うCPUで実行される 可能性がある https://github.com/mit-pdos/xv6-public/blob/master/proc.c#L37
50. struct cpu* mycpu(void) • 割り込みが無効化されて いることを確認する ◦ // Interrupt Enable #define FL_IF 0x200 • 無効化されていなかったら panic()を呼ぶ https://github.com/mit-pdos/xv6-public/blob/master/proc.c#L37
51. struct cpu* mycpu(void) • Local APICを取り出す ◦ 詳しくは3章 https://github.com/mit-pdos/xv6-public/blob/master/proc.c#L37
52. https://github.com/mit-pdos/xv6-public/blob/master/proc.c#L37 struct cpu* mycpu(void) • CPUはグローバルな配列 cpus[]で管理 • Local APICが一致する CPUが見つかったら返す • 見つからなかった場合 panic()を呼ぶ
53. struct proc* myproc(void) • 現在のCPUを取得し, 実行中のプロセスを返す • 割り込みを無効化し, 実行が 完了したら元に戻す ◦ 実行途中でプロセスが 切り替わる可能性 がある https://github.com/mit-pdos/xv6-public/blob/master/proc.c#L57
54. ご清聴ありがとうございました