基本概念-任务与调度 - ArceOS Tutorial Book

第一节基本概念 - 任务与调度

在现代操作系统中，多任务支持是基本功能。对我们的内核来说，所支撑的应用可以开启多任务，同时执行多条相对独立的逻辑流程；内核内部同样可以开启多任务，并发完成一些维护性的工作。无论在哪一个层面，合理的多任务调度都可以带来整体效率上的提升。

在多任务方面，任务与调度是两个核心的概念。

任务是被调度的对象，它具有独立的工作逻辑。

调度是资源不足时，协调每个请求对资源使用的方法。通常，每个任务都在尽力争取获得更多的计算资源 - 其实就是 CPU 时间，但是 CPU 无论从数量还是算力常常是处于相对不足的状态的，这就需要协调各个任务之间对有限 CPU 资源的分配。协调的好，系统整体效率有保证；协调的不好，系统效率下降甚至卡死。

在 ArceOS 的语境下，任务等价于线程。也就是说，每个任务拥有独立的执行流和独立的栈，但是它们没有独立的地址空间，而是共享唯一的内核地址空间。相应的对于调度，我们也需要更多的去参考线程调度方面的历史经验。

任务的核心构成要素包括：执行流、栈、环境上下文和状态。先来说状态，有四个基本的调度状态：

调度过程中，需要随时跟踪和更新任务的状态，作为对任务有效管理的基础。

下面以一个典型任务的生命周期为例，说明任务各个构成要素分别的职责作用：

上图是一个典型任务在整个生命周期过程中，将会（可能会）遇到的几种情况。

任务首次被创建时，status 默认是 Ready 状态，entry 为任务执行的入口，创建单独的由 kstack 指向的栈，还需要预留一块空间作为任务上下文 context，用于在任务被调度出去时，保存该任务的运行环境，以便在调度回来时恢复现场。
任务被调度运行，status 改为 Running 状态，有一个特殊的指针 CurrentTask 指向它，表示它就是当前正在被执行的任务。任务一旦启动之后，entry 就不再有用，寄存器 pc 始终指向 CPU 当前正在执行的指令，寄存器 sp 则指向 kstack 栈的栈顶位置。
任务在运行过程中可能随时被调度出去，使得 CPU 可以执行其它任务。调度出去的原因有两种：一是它必须等待某种资源可用，此时任务被设置为 Blocked 状态，让出执行权；二是它主动（调用 yield）或被动（时间片耗尽）让出执行权。无论何种原因，当前任务的上下文必须被首先被保存，即保护现场，等到该任务再次被调度时，把上下文再恢复出来，让任务从上次的断点处继续运行。后面我们将会看到，所谓任务的上下文，就是一组维持任务运行状态的必要的寄存器。
任务在运行中，还会遇到另外一种涉及运行环境保存与恢复的情况，即触发异常或遇到外部中断时。此时系统应该挂起当前任务，转而去执行异常/中断的例程，处理完成后再回到任务断点处恢复执行。这期间内核处于一个特殊的运行上下文中，我们称为异常中断上下文，它会叠加到当前任务的任务上下文之上。具体来说，当前任务的一组寄存器状态会作为 TrapFrame 被保存在任务的栈上。
任务运行完成后，它的某些资源不能被自己回收，所以内核安排了一个内部任务 GcTask，专门负责进行此项工作。

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根据上面的说明，我们先把任务相关的结构定义出来，首先是 Task 和 CurrentTask 定义在 axtask/src/task.rs：

#[repr(u8)]
#[derive(Debug, Clone, Copy, Eq, PartialEq)]
pub(crate) enum TaskState {
    Running = 1,
    Ready = 2,
    Blocked = 3,
    Exited = 4,
}

struct TaskStack {
    ptr: NonNull<u8>,
    layout: Layout,
}

pub struct Task {
    entry: Option<*mut dyn FnOnce()>,
    state: AtomicU8,
    kstack: Option<TaskStack>,
    ctx: UnsafeCell<TaskContext>,
}

unsafe impl Send for Task {}
unsafe impl Sync for Task {}

pub struct CurrentTask(ManuallyDrop<AxTaskRef>);

pub fn current() -> CurrentTask {
    CurrentTask::get()
}

而 TaskContext 因为与体系结构相关，定义在 axhal/src/riscv64/context.rs 中：

#[repr(C)]
#[derive(Debug, Default)]
pub struct TaskContext {
    pub ra: usize, // return address (x1)
    pub sp: usize, // stack pointer (x2)
    pub s0: usize, // x8-x9
    pub s1: usize,
    pub s2: usize, // x18-x27
    pub s3: usize,
    pub s4: usize,
    pub s5: usize,
    pub s6: usize,
    pub s7: usize,
    pub s8: usize,
    pub s9: usize,
    pub s10: usize,
    pub s11: usize,
}

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第一节 基本概念 - 任务与调度

第一节基本概念 - 任务与调度