任务的调度

本文档阐述了 comix 内核中的任务调度机制，包括调度器设计、调度时机以及上下文切换流程。

1. 调度器设计 (Scheduler Trait)

为了实现可扩展和可替换的调度策略，我们抽象出了一个 Scheduler Trait。任何具体的调度器实现都必须实现这个 Trait 中定义的方法。

源码链接: os/src/kernel/scheduler/mod.rs

Scheduler Trait 定义了以下核心接口：

  • new() -> Self: 创建一个新的调度器实例。
  • add_task(&mut self, task: SharedTask): 将一个新任务添加到调度器的运行队列中。
  • next_task(&mut self) -> Option<SharedTask>: 从运行队列中选择下一个要执行的任务。
  • prepare_switch(&mut self) -> Option<SwitchPlan>: 准备进行任务切换。这是调度的核心决策逻辑，它会选择下一个任务，并返回一个包含新旧任务上下文指针的 SwitchPlan。
  • sleep_task(&mut self, task: SharedTask, ...): 将一个任务置于睡眠状态，并将其从运行队列中移除。
  • wake_up(&mut self, task: SharedTask): 唤醒一个睡眠中的任务，将其重新放回运行队列。
  • exit_task(&mut self, task: SharedTask, ...): 处理一个任务的退出，将其从调度系统中永久移除。

2. 轮转调度器 (RRScheduler)

当前内核中实现的具体调度策略是简单的 轮转调度（Round-Robin Scheduler）。

源码链接: os/src/kernel/scheduler/rr_scheduler.rs

实现机制

  • 运行队列: RRScheduler 内部使用一个 TaskQueue（基于 Vec 的 FIFO 队列）作为运行队列。新加入的任务被放在队尾，调度器总是从队首取出任务执行。
  • 时间片: 每个任务被分配一个固定的时间片（DEFAULT_TIME_SLICE）。当时钟中断发生时，RRScheduler::update_time_slice 方法会被调用，减少当前任务的剩余时间片。当时间片耗尽时，就会触发一次抢占式调度。

3. 调度时机

调度器在以下几个关键时刻被触发，以决定是否切换任务：

  1. 时钟中断（抢占式调度）:

    • riscv::timer 模块设置了定时器，在固定间隔后触发时钟中断。
    • 中断处理程序 trap_handler 会调用 schedule()。
    • schedule() 内部会检查当前任务的时间片是否耗尽。如果是，则会执行 prepare_switch 来选择下一个任务，实现抢占。

  2. 任务主动让出 (yield):

    • 任务可以调用 yield_task() 主动放弃 CPU。
    • yield_task() 会直接调用 schedule()，立即触发一次调度，将当前任务放回运行队列末尾，并切换到下一个任务。

  3. 任务阻塞:

    • 当任务因等待资源（如 SleepLock）而需要睡眠时，它会调用 sleep_task()。
    • sleep_task() 将任务从运行队列中移除，并改变其状态为 Interruptible 或 Uninterruptible。
    • 随后会调用 schedule() 来切换到一个新的可运行任务。

4. 上下文切换流程

上下文切换是调度机制的核心，它实现了 CPU 执行流从一个任务到另一个任务的平滑过渡。

核心函数: schedule() in os/src/kernel/scheduler/mod.rs

流程详解:

  1. 触发调度: 当上述任一调度时机发生时，schedule() 函数被调用。

  2. 准备切换 (prepare_switch):

    • schedule() 函数会调用当前调度器（RRScheduler）的 prepare_switch 方法。
    • prepare_switch 从 CPU 的本地存储中取出当前任务 (prev_task)，并从运行队列中选出下一个任务 (next_task)。
    • 如果没有其他可运行任务，则不进行切换。
    • 如果有，它会获取 prev_task 和 next_task 的上下文指针 (Context)。
    • 如果 prev_task 仍然是可运行状态（例如，时间片用完但未阻塞），它会被重新放回运行队列的末尾。
    • 最后，更新 CPU 的当前任务为 next_task，并返回包含新旧上下文指针的 SwitchPlan。

  3. 执行切换 (__switch):

    • schedule() 函数拿到 SwitchPlan 后，会调用一个底层的汇编函数 __switch(old_ctx_ptr, new_ctx_ptr)。
    • 源码链接: os/src/arch/riscv/kernel/switch.S
    • __switch 函数执行以下操作： a. 保存旧上下文: 将当前任务（old_task）的 callee-saved 寄存器（如 ra, sp, s0-s11）保存到其 Context 结构体中（由 old_ctx_ptr 指向）。 b. 恢复新上下文: 从新任务（next_task）的 Context 结构体中（由 new_ctx_ptr 指向），将之前保存的寄存器值加载回 CPU 的物理寄存器。 c. 返回: __switch 函数的最后一条指令是 ret。它会跳转到新任务 Context 中保存的 ra (返回地址)。 - 对于一个从未执行过的新任务，其 ra 在创建时被设置为 forkret。 - 对于一个之前被切换出去的任务，其 ra 指向它被切换时 __switch 调用的下一条指令。

通过这个流程，CPU 的执行状态被完整地从一个任务切换到另一个任务，实现了多任务的并发执行。