操作系统实现之路：线程切换的系统调用

除了在系统时钟中断处理程序中完成线程的调度（线程切换）外，在运行的线程试图获取共享资源（调用WaitForThisObject函数），而共享资源当前状态为不可用的时候，也需要发生切换，这时候，当前线程（获取共享资源的线程）会阻塞，并插入共享资源的本地线程队列，再从就绪队列中提取优先级最高的线程投入运行。这个过程不是发生在中断上下文中的，而是发生在系统调用上下文中，这个时候的线程切换，称为“系统调用上下文中的切换”。在Hello China的实现中，任何一个系统调用结束后，都会执行核心线程的重调度工作，这样可确保最高优先级的线程总能得到及时的调度。

系统调用上下文中的线程切换，与时钟中断上下文中的线程切换基本上是一样的，唯一的不同是，系统调用上下文的线程切换，其切换前建立的堆栈框架不一样。在中断上下文中的切换，堆栈框架的建立是CPU自己完成的（即中断发生后，CPU把当前线程的CS、EFLAGS和EIP寄存器自动压入堆栈），而在系统调用上下文中，堆栈框架是由CALL指令建立的。系统调用上下文中的线程调度，是通过调用ScheduleFromProc函数来实现的。这个函数的参数是当前核心线程的上下文指针，但也可以以NULL为参数调用该函数，这时候该函数会通过KernelThreadManager维护的全局变量lpCurrentKernelThread，来获取到当前核心线程的硬件上下文。下面通过一个比较典型的系统调用WaitForEventObject（事件对象等待函数，对用户来讲，统一用WaitForThisObject来呈现）的实现，来说明ScheduleFromProc函数的使用方式：

该函数首先判断当前事件对象的状态，若当前状态为FREE（EVENT_STATUS_FREE），则函数等待成功，直接返回，否则说明当前事件对象处于未发信号状态，需要等待，这个时候，当前线程首先把自己的状态设置为KERNEL_THREAD_STATUS_BLOCKED，然后插入事件对象的等待队列。在插入等待队列之后，使用当前线程的上下文对象（lpContext），调用ScheduleFromProc函数，来引发一个重新调度。

下面重点考察ScheduleFromProc函数的实现。明白了这个函数，系统调用上下文的线程重调度机制就清楚了。但与ScheduleFromInt一样，这个函数还是有些复杂的。倒不是逻辑有多复杂，而是这个函数是一个整体，不像其他函数一样，可以比较清楚地分成几个部分单独讲解。但如果读者对ScheduleFromInt函数理解清楚了，那么对ScheduleFromProc函数的理解应该也不会困难，这两个函数的实现逻辑，大致上是类似的。下面先考察函数的源代码，为了解释方便，我们对源代码做了简化：

该函数可以在任何非中断上下文中被调用，完成核心线程的重调度。这样，该函数必须判断当前线程的状态，以确定进一步的动作。需要注意的是，当前线程的状态，不一定是RUNNING，而很多情况下，都是非RUNNING的“临时”状态，比如，当前线程等待一个共享对象，而该共享对象又是不可使用的，于是当前线程就需要把自己插入共享对象的等待队列，然后把状态设置为BLOCKED，并调用ScheduleFromProc重新调度，这样就出现了当前线程状态是BLOCKED状态的情况。但与ScheduleFromInt不同，ScheduleFromInt函数对于非RUNNING状态的临时状态，采取的是放行的策略，因为处于这种临时状态的核心线程，将很快自动放弃执行（实际上，处于这些临时状态的核心线程，正是通过调用ScheduleFromProc完成了CPU的让出工作）。而ScheduleFromProc则不同，它着重处理的就是这些非RUNNING状态的核心线程，因为一旦核心线程把自己设置为BLOCKED等非RUNNING状态，就表示核心线程希望退出运行，退出的方式，就是通过调用ScheduleFromProc实现的。如果这个函数也“谦让”一下，继续让这些非RUNNING状态的线程继续执行，就会产生死循环。

ScheduleFromProc函数的代码，也是以switch-case语句为骨架的，根据当前核心线程的线程状态分别处理。因此分析每个case语句的处理动作，是解释这个函数的最好方式。下面就分别解释：

（1）KERNEL_THREAD_STATUS_RUNNING

在当前核心线程调用WaitForThisObject等系统调用的时候，若试图等待的共享资源可用，则当前线程的状态不会被修改。但Hello China采用的是抢占式的调度方式，因此在任何系统调用中，会重新检查系统就绪队列，看是否存在比当前优先级更高的核心线程，即执行一个核心线程调度过程。

这种情况下，在调用ScheduleFromProc的时候，就会出现当前核心线程是RUNNING的情况。对于这种情况，ScheduleFromProc做如下处理：

1）调用GetScheduleKernelThread函数，试图从就绪队列中选择一个可调度线程。在调用该函数的时候，会以当前核心线程的优先级作为参数，这样GetScheduleKernelThread会返回比当前核心线程优先级更高的核心线程，若没有，则返回NULL。

2）若返回NULL，说明当前就绪队列中没有核心线程比当前线程优先级更高，于是直接返回，以使当前核心线程继续运行。

3）若能够找到一个比当前核心线程优先级更高的线程，则把当前核心线程状态修改为READY，并放入就绪队列。然后增加刚刚获取的核心线程的运行时间片信息，修改其状态为KERNEL_THREAD_STATUS_RUNNING，并修改当前核心线程指针指向该线程，调用__SaveAndSwitch函数，切换到该线程。这样当前核心线程就会被打断，从而“让路”给更高优先级的核心线程。

这种调度方式，可确保任何比当前核心线程优先级高的线程，能够在最快的时间内得到调度，从而提升系统的整体实时性。

（2）KERNEL_THREAD_STATUS_READY

在操作系统刚刚完成初始化，还没有选择任何核心线程运行的时候，当前核心线程会被设置为这种状态。在系统初始化的过程中，会创建shell、IDLE等系统核心线程。在初始化完成后，会把当前核心线程设置为创建的任何一个核心线程，不论设置为哪个核心线程，其状态都是KERNEL_THREAD_STATUS_READY。

系统初始化完成之后，会调用ScheduleFromProc函数，以切换到一个优先级最高的线程。实际上，系统初始化过程，是不属于任何核心线程的，但也可以看做是一个初始化核心线程。一旦初始化完成，切换到其他的核心线程，则这个“初始化核心线程”也就运行结束了。

这样初始化完成，调用ScheduleFromProc的时候，当前核心线程就是READY状态。针对这种状态，调度程序做如下处理：(www.xing528.com)

1）调用GetScheduleKernelThread函数，从就绪队列中提取一个核心线程。在调用该函数的时候，会以当前核心线程的优先级为参数，这样就约束了GetScheduleKernelThread函数，只能返回大于或等于当前核心线程优先级的就绪线程。

2）若GetScheduleKernelThread返回NULL，说明系统发生问题了。因为当前核心线程被创建的时候，一定是加入到就绪队列的，GetScheduleKernelThread函数至少应该返回当前核心线程。若返回NULL，则打印出调试信息（BUG（）函数），并返回。

3）若返回的核心线程对象与当前核心线程是同一个，则说明当前核心线程就是系统中优先级最高的，于是增加当前核心线程的时间片计数，并修改其状态为RUNNING，直接返回，以使当前核心线程继续执行。

4）若返回的核心线程对象不是当前核心线程对象，则增加新核心线程的时间片计数，修改其状态，并切换到该线程开始执行。

（3）KERNEL_THREAD_STATUS_SUSPENDED

若当前核心线程对象的状态为KERNEL_THREAD_STATUS_SUSPENDED，则说明当前核心线程对象调用了SuspendKernelThread函数，试图挂起自己。SuspendKernelThread函数在把当前核心线程设置为SUSPENDED状态之后，会把当前核心线程插入挂起队列，并调用ScheduleFromProc函数，重新调度线程。

若当前核心线程处于该状态，则调度程序执行下列动作：

1）调用GetScheduleKernelThread函数，试图从当前就绪队列中选择一个状态为就绪的核心线程。需要注意的是，这时调用GetScheduleKernelThread函数，是以参数0作为第二个参数的，这样可导致该函数返回就绪队列中任何优先级大于或等于0的核心线程，即只要就绪队列中有核心线程对象存在，就会返回一个核心线程对象。

2）若上述函数返回NULL，说明系统出现了问题。因为就绪队列中肯定会有核心线程存在的，至少有IDLE线程存在。

3）若上述调用返回了一个合法的核心线程对象，则修改返回的核心线程状态信息，增加其运行时间片计数，调用__SaveAndSwitch函数，保存当前核心线程的上下文信息，并切换到新的核心线程开始运行。

（4）KERNEL_THREAD_STATUS_SLEEPING

当前核心线程调用Sleep函数，试图进入睡眠状态的时候，会发生当前核心线程状态是SLEEPING的情况。因为Sleep函数首先把当前核心线程设置为KERNEL_THREAD_STATUS_SLEEPING状态，并插入睡眠队列，然后调用ScheduleFromProc函数。对于这种状态的核心线程，ScheduleFromProc的处理机制与当前核心线程状态为KERNEL_THREAD_STATUS_SUSPENDED的处理机制一样。

（5）KERNEL_THREAD_STATUS_TERMINAL

线程运行结束的时候，会首先设置自己的状态为TERMINAL，并调用ScheduleFromProc函数。ScheduleFromProc函数对当前线程是该状态的处理动作，与KERNEL_THREAD_STATUS_SUSPENDED的处理机制一样。

与ScheduleFromInt一样，ScheduleFromProc也是通过调用GetScheduleKernelThread函数来获取一个最高优先级的就绪线程。在切换到目标线程的时候，也需要递增其运行时间片。与ScheduleFromInt不同的是，这个函数调用了__SaveAndSwitch函数实现了线程的切换。这个函数与__SwitchTo不同，除切换到目标核心线程外，还保存了当前核心线程的硬件上下文。在中断上下文的线程调度中，CPU和汇编语言代码自动保存了线程的硬件上下文，因此对于当前线程的上下文无需保存。但是在ScheduleFromProc中，由于没有中断发生，必须手工建立起当前核心线程的硬件上下文，然后才能切换到目标线程。在4.2.10节将详细解释__SwitchTo和__SaveAndSwitch这两个底层的硬件上下文操作函数。