6.1810 / 6.1810 · 第 13 课 · rtm

线程切换

xv6 如何实现进程/线程切换？本节课深入内核，通过 GDB 跟踪 timer 中断、yield()、sched()、swtch() 的完整流程，理解上下文切换的本质：保存和恢复寄存器。

为什么需要并发任务？

• 分时（Time-sharing）：多用户、多运行程序
• 程序结构：shell、管道、find -exec 等
• 并行编程：利用多核硬件

什么是线程？

想象正在以普通串行方式执行的代码。如果我们想暂停它、放到一边，做其他事，稍后再恢复那段代码——我们需要保存什么？

• 内存
• 栈
• CPU 寄存器
• CPU 程序计数器

线程在执行代码和挂起时的保存状态之间交替。线程管理系统管理线程间的切换。

xv6 如何使用线程

• 每个 xv6 进程有一个用户级线程和一个内核级线程
• 进程的内核线程执行系统调用实现，可能需挂起等待输入
• xv6 内核线程共享内存——都在内核地址空间执行，使用内核数据结构，因此需要锁
• 用户和内核线程不是独立的：在内核执行时，用户线程在等待 trap 返回；在用户空间执行时，没有内核线程

xv6 进程/线程的保存状态

p->state 的作用

上下文切换（Context Switch）

从用户进程 P1 到 P2 的完整路径

用户态 → 内核态：保存用户寄存器到 trapframe
内核线程 → 调度器线程：保存内核线程寄存器到 context
调度器线程 → 内核线程：从 context 恢复内核线程寄存器
内核态 → 用户态：从 trapframe 恢复用户寄存器

struct proc 关键字段

struct proc {
  struct trapframe *trapframe;  // 保存的用户寄存器
  struct context context;       // 保存的内核寄存器
  uint64 kstack;                // 内核栈指针
  enum procstate state;         // RUNNING/RUNNABLE/SLEEPING
  struct spinlock lock;         // 保护 p->state 等
  // ...
};

为什么有独立的调度器线程？

• 始终有一个栈可供调度器循环运行
• 例如：切换离开正在退出的进程时
• 例如：进程数少于 CPU 数时

代码跟踪：抢占式切换演示

设置

两个 CPU 密集进程 aaa 和 bbb，QEMU 单核，通过定时器中断驱动切换。

跟踪流程

1. 在 trap.c:85（定时器中断）设断点
2. 进入 usertrap() → 发现是设备中断（定时器）
3. step into yield()
4. p->state = RUNNABLE——放弃 CPU 但想再次运行
5. 注意：yield() 获取 p->lock，防止另一个 CPU 运行此线程！
6. step into sched()——做 sanity checks，然后调用 swtch()

swtch() —— 上下文切换的核心

kernel/swtch.S 的伪代码：

swtch(a0=旧上下文, a1=新上下文):
  保存 ra, sp, s0-s11 到 a0（旧上下文的内存）
  从 a1 加载 ra, sp, s0-s11
  ret  // 跳转到新上下文的 ra

swtch 为什么只保存 14 个寄存器？

RISC-V 有 32 个寄存器，swtch 保存 ra, sp, s0-s11（14 个）。其他 18 个呢？

swtch 不需要保存/恢复 PC？

因为 ret 跳转到 ra——PC 实际上是通过 ra 隐式切换的。

p->lock 的跨线程释放

yield():              scheduler():
  acquire(&p->lock);     swtch();
  p->state = RUNNABLE;   release(&p->lock);
  swtch();

为什么在 swtch 期间持有 p->lock？

• 防止另一个核心的调度器看到 p->state == RUNNABLE，直到寄存器保存完成
• 防止另一个核心的调度器看到 p->state == RUNNABLE，直到停止使用线程的栈
• 防止定时器中断在 swtch 期间调用 yield()（acquire 关闭了中断）

内核抢占

内核代码能被抢占吗？

是的！kerneltrap() 也调用 yield()。三套保存的寄存器：

内核抢占是否必要？

不必要（内核没有无限 CPU 密集循环），但如果某些系统调用计算量大，或需要严格的线程优先级，则很有价值。

重要规则

// 单核上的灾难场景：
P1: acquire(L1);    P2: acquire(L2);
   sched();             acquire(L1); // 等待 L1
// P2 自旋等待 L1，中断已禁用
// 无时钟中断 → P2 不 yield → P1 不运行
// P1 不释放 L1 → 死锁！

为什么调度器启用中断？

可能没有 RUNNABLE 线程（都在等待 I/O）。启用中断让设备有机会完成并唤醒线程，否则系统会冻结。

线程高效吗？

• 内存代价：每线程一个栈
• CPU 时间代价：swtch()
• 通常足够高效——而且非常方便
• 问题：线程太多（内存）或切换频繁（CPU）
• 替代技术：事件驱动编程、状态机

测验

要点总结

延伸阅读

• xv6 手册 —— 第 7 章（调度）
• aaa.c —— 演示代码
• bbb.c —— 演示代码
• 原始讲义