进程模块概述

简介

这篇文档简要记录了进程模块的设计思路，具体实现细节见该文件夹下各个文件

设计

概要

本模块将进程称为 Task，并不区分线程与进程。我们假定：

线程是共享某些资源的 Task。

进程的表示

Task 结构

Task 结构体表示一个程序及其运行所需的资源和信息。其主要职责是管理与任务相关的资源和调度信息。

#![allow(unused)]
fn main() {
pub struct Task {
    /// 中断上下文。指向任务内核栈上的 TrapFrame，仅在任务被中断时有效。
    pub trap_frame_ptr: AtomicPtr<TrapFrame>,
    
    /// 任务的内存空间。对于内核任务，该字段为 None。
    pub memory_space: Option<Arc<MemorySpace>>,
    
    // TODO: 存放任务持有的文件句柄
    // ......
}
}

资源管理

任务执行需要以下资源：

CPU：用于计算，通常包含寄存器、ALU、控制单元等。
内存：用于存储数据（包括代码）。内存通过 MMU 被虚拟化成虚拟内存。
外部设备：用于与外部世界交互，抽象为文件（通过 VFS 访问）。

调度相关信息

Task 还需要包含调度器所需的关键信息，以便任务切换和调度。关键字段包括：

context：最小上下文，包含任务切换时需要恢复的寄存器（例如 sp、ra 等）。
state：任务当前的状态，可能的值包括：
- Running：任务正在执行。
- Interruptible：任务可以被中断。
- Uninterruptible：任务无法被中断。
- Stopped：任务已经终止。
priority：任务的优先级，供调度器参考。
preempt_count：抢占计数，防止在关键区域内被抢占。
kstack_base：内核栈的基地址，供内核线程或陷阱处理使用。
trap_frame_ptr：指向当前任务内核栈上的 TrapFrame，用于处理中断或从陷阱返回。

进程的生命周期

Task 的生命周期从创建到销毁，涉及多个状态转换，常见状态包括：创建、运行、就绪、阻塞、退出。

1. 创建（Created）

通过 ktask_create 或 utask_create 创建。
分配内核栈、TrapFrame，并初始化 context 和 trap_frame。
初始状态为 Running。

2. 运行（Running）

当前 CPU 正在执行该任务。
状态保持为 Running。

3. 就绪（Runnable / Ready）

任务已准备好等待 CPU 调度。
被放入就绪队列，等待调度器选择。
状态为 Ready。

4. 睡眠（Blocked）

任务因等待某些资源（如 I/O、锁、信号等）被阻塞。
阻塞状态分为：
- Interruptible：任务可以在等待期间被中断。
- Uninterruptible：任务无法被中断。
任务将加入 waitqueue，在满足条件时被唤醒。

5. 退出（Stopped / Dead）

任务执行完毕，进入退出状态。
设置 exit_code 或 return_value，并开始资源回收（如内存、文件句柄等）。
状态为 Stopped 或 Dead。

典型 API 操作

以下是任务管理中的常用 API 操作：

create / spawn：创建并初始化 Task，分配必要资源。
schedule / yield：让出 CPU，触发调度操作。
sleep / wake_up：使任务进入阻塞状态或从阻塞中唤醒，通常通过 waitqueue 和锁模块实现。
exit / terminate：终止任务并回收相关资源。
join / waitpid：等待子任务退出，并获取其 exit_code 或 return_value。

进程状态转换图

 +-------------------+       +-------------------+
 |     Created       |-----> |      Running      |
 +-------------------+       +-------------------+
                                |
                                v
                       +-------------------+
                       |      Ready        |
                       +-------------------+
                                |
                                v
                       +-------------------+
                       |     Blocked       |
                       +-------------------+
                                |
                                v
                       +-------------------+
                       |      Stopped      |
                       +-------------------+

总结

Task 是程序的基本运行单元，负责管理进程的资源和调度。
任务的生命周期经历创建、运行、就绪、睡眠、退出五个状态。
提供了一些核心的 API 来操作任务，支持调度、阻塞、退出等功能。

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