第六章：内核线程 - 线程切换 - 《rCore 手册（rCore tutorial doc）》

线程切换

线程切换

代码

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

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

x0 zero Hard-wired zero <!—-<!—-

x1 ra Return address Caller

x2 sp Stack pointer Callee

x3 gp Global pointer <!—-<!—-

x4 tp Thread pointer <!—-<!—-

x5-7 t0-2 Temporaries Caller

x8 s0/fp Saved register/frame pointer Callee

x9 s1 Saved register Callee

x10-11 a0-1 Function arguments/return values Caller

x12-17 a2-7 Function arguments Caller

x18-27 s2-11 Saved registers Callee

x28-31 t3-6 Temporaries Caller

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

寄存器	ABI 名称	描述	Saver
x0	zero	Hard-wired zero	<!—-<!—-
x1	ra	Return address	Caller
x2	sp	Stack pointer	Callee
x3	gp	Global pointer	<!—-<!—-
x4	tp	Thread pointer	<!—-<!—-
x5-7	t0-2	Temporaries	Caller
x8	s0/fp	Saved register/frame pointer	Callee
x9	s1	Saved register	Callee
x10-11	a0-1	Function arguments/return values	Caller
x12-17	a2-7	Function arguments	Caller
x18-27	s2-11	Saved registers	Callee
x28-31	t3-6	Temporaries	Caller

所以要做的事情是：

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

值所指向的内存； 2. 读取寄存器

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：