用户级线程切换

winston

实现线程库的一个核心问题是实现线程的切换。线程切换主要做了两件事：一是旧线程执行环境的保存，二是新线程执行环境的恢复。执行环境主要指寄存器，栈的切换也是通过寄存器的切换来完成的。
非抢占式用户级线程可以使用两类接口来实现： longjmp和setjmp; swapcontext,makecontext,setcontext. 在此不再赘述。
抢占式用户级线程切换
线程切换的时机。 切换分两种，一种是主动切换，一种是被动切换。主动切换是非抢占式的；被动切换发生在时间片用完之后，一个线程的时间片用完后就要强行切换到另外的线程。那么被动切换很自然的要发生在时钟中断里。在linux里面我们使用alarm信号。既然如此，赶快动手吧。
void timeHandler (int signo)
{  
    thread_list *  old;    if(signo != SIGALRM) return ;   
    signal(SIGALRM,timeHandler);   
    //! 如果有结束了的线程，释放该线程。
    ...   

    old  =  sys.current;
    if(old == 0){
        if(sys.threads){
            sys.current  =  sys.threads;
            longjmp(sys.current -> thread.buf,  1 );
        }
    }else{
        sys.current  =  GetNext(sys.current)
        if(sys.current){
            if  (!setjmp(old -> thread.buf,1)){
                longjmp(sys.current -> thread.buf,  1 );
            }
        }
    }
}
我们会很悲观的发现，alarm信号只发生了一此。问题出在哪儿呢？原来linux的信号是不可重入的。进入信号处理函数之前，该信号被屏蔽，退出该信号处理函数之后该信号重新开放。而在信号处理函数中发生longjmp后，程序就跳转到其他线程，该信号处理函数不能退出。为了能再次进入信号处理函数，我们在切换之前就要重新开放该信号。我们可以使用siglongjmp/sigsetjmp代替longjmp/setjmp.
虽然该方法能够实现抢占功能，但总让人觉得不舒服。没有退出的信号处理函数让人如骨鲠在喉。有没有更优美的方法呢?
先来看一下信号处理的流程：以alarm信号为例。
1。 alarm信号到达，执行权由用户空间进入内核空间，栈自动切换到内核栈(内核栈指针存放在TSS结构的ESP0中）。同时用户空间的执行环境存放到内核栈中。
2。 内核进行一些信号相关工作。 最后发现我们注册了alarm信号的处理函数，然后建立执行信号handler的栈环境（通常在用户栈栈顶），将已经保存在内核栈中的用户执行环境复制到信号处理函数栈。 然后通过reti从内核返回到用户空间，恢复用户空间执行环境，执行信号处理函数。
3。 执行完信号处理函数后，再次进入内核，注意此次进入内核后，内核栈会再次自动保存用户空间执行环境，但这不是我们需要的。所以内核会将信号处理函数栈中的用户执行环境复制回内核栈。
4。  再次从内核空间切换到用户空间，用户执行环境自动恢复到alarm信号到达时的执行状态。
分析后我们会发现，当我们执行信号处理函数时，栈顶是保存了用户执行环境的，通过更换这个执行环境，就可以达到用户态线程切换的目的。
#include <sys/ucontext.h>
# if __WORDSIZE == 64
#define OFFSET_TO_SIGCONTEXT 7
# else
#define OFFSET_TO_SIGCONTEXT 3
# endif

void timeHandler (int signo)
{
    unsigned int i, j;
    sigcontext* psig_context;      
    if(signo != SIGALRM) return ;
    signal(SIGALRM,timeHandler);
    __asm( "lea (%%" bp_register ", %1), %0":"=r"(psig_context): "r"(OFFSET_TO_SIGCONTEXT* sizeof(ptr_size*)));
    schedule(psig_context);
}
用户执行环境用sigcontext结构体来描述， 在64位系统中，该结构体位于 RBP + 7*8 位置处； 在32位系统中位于EBP+3*4位置处。 __asm( "lea (%%" bp_register ", %1), %0":"=r"(psig_context): "r"(OFFSET_TO_SIGCONTEXT* sizeof(ptr_size*))); 用于获得该结构体指针，然后就可以传到 调度函数用户线程切换了。
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