XV6操作系统入门系列(2024)
04-第一个进程
进程是操作系统管理程序的基本单元。一个程序最基本的组成部分包含代码、数据和硬件资源。那么，XV6操作系统启动的第一个进程是什么呢？我的文章风格是从这个问题出发，引出一系列相关的知识点。
资料链接：
- XV6操作系统教材
- 官方实验代码
git clone git://g.csail.mit.edu/xv6-labs-2024
从内核初始化开始找线索
我前面的文章详细介绍了XV6如何利用RiscV处理器的硬件机制，启动自己的。对接下来的内容没什么用，大家也不需要浪费时间翻前面的内容。现在我们只需要知道，RiscV会执行XV6源代码中的 kernel/main.c 的代码。要想搞明白XV6操作系统的第一个进程是怎么来的，我们唯一的线索就在这个代码中。 打开main.c 文件，注释里清清楚楚地写着first user process——第一个用户进程是由 userinit() 产生的。
用户进程初始化函数 userinit
我先把源代码贴在这里，读这段代码的时候，我们会碰到一些黑盒性质的概念，我们可以先接受，后面再慢慢理解。
从代码上看userinit() 做了这么几件事情：
- 调用
allocproc()分配一个进程，返回一个结构体，肯定保存了一些进程需要的数据，allocproc()内部做了什么我们还看不到； - 给申请到的进程的页表pagetable写入一段二进制代码
initcode，这段代码是干什么的我们也不清楚； - 给进程的trapframe->epc设置为0，代码注释说用于内核态返回用户态，具体怎么做到的我们也不清楚。 我们遇到了三个新的问题，不用慌，我们一个一个解决。
第一个问题 allocproc 是分配进程资源的
allocproc 逻辑我给大家总结一下：
- • 遍历一个全局变量数组
proc，是内核中表示所有进程的数据结构，有NPROC=64个。 - • 从中找到第一个没有被使用的进程插槽拿出来。 这个简单的过程就叫做分配进程。如果在此之前，你听说过操作系统创建进程，并且觉得这个过程非常高大上，那现在可以对它祛媚了，实际上指的就是这么个简单的过程。
第二个问题 initcode 是用来装载第一个用户程序
在源代码里，initcode是一段恐怖的数字数组。注释里写着它是从 user/initcode.S 代码中编译来的可执行文件。我们来看一下这段代码。
如果你对汇编完全不熟悉，我给你总结一下，这段代码等于 exec("init", ["init"]) 。调用内核里的函数 exec ，运行程序 init。这里的 init 指的是 user/init.c 这个程序。这个程序核心是运行 sh 命令行工具。 到这里，我们已经能够回答这篇文章的核心问题：XV6里运行的第一个进程的代码部分涉及 initcode.S + init.c 这两个文件。
我想你已经晕了，我这里再总结成这样一张图。 蓝色部分是当前处理器正在执行的代码，调用userinit()、allocproc和uvmfirst 三个函数来为第一个进程做准备。绿色部分是还没有运行的代码，由 initcode.S 和 init.c 两部分组成。
那么绿色程序究竟是如何真正执行起来的呢？
上一小节我们分析了处理器正在执行的程序，由蓝色部分表示。它们装载了一个准备运行的程序，由绿色部分表示。那么绿色部分什么时候运行起来的呢？ 在操作系统初始化阶段的最后，main.c调用了一个进程调度函数 scheduler()。它的流程就是循环遍历所有的进程，找到下一个可以运行的进程，然后调用
swtch(&c->context, &p->context);
它的作用是将当前cpu中各个寄存器的值保存到 c->context 上，然后将 p->context 中的值加载到cpu的各个寄存器中。
因为 swtch 内部修改了 ra 寄存器（return address），swtch 内部的ret指令不会再返回执行c->proc这条代码了，而是会进入 p->context->ra 这个地方继续运行。 那么，第一个进程的 p->context->ra 是什么呢？答案在前面的allocproc函数中，所以新进程的 p->context->ra 都设置成了 forkret 函数。也就是说，swtch 执行后会跳到 forkret 函数继续执行，不会返回来执行 c->proc。 这个跳转非常隐蔽，你必须了解汇编指令ret返回到的指令地址是寄存器ra的值。
我们来验证一下这个结论。打开代码调试界面，我们输入指令添加几个断点：
- •
b proc.c:469在swtch执行处添加中断。 - •
b swtch:40在swtch内部的ret指令处打上断点。 - •
b forkret在forkret处打上断点。 接着，我们输入c代码停在第一个断点处。然后我们按下两个c，代码停在了第三个断点处。完全符合预期，程序进入到了forkret中运行。
第三个问题trapframe 是干什么的？
要搞明白这个问题，需要我们紧接着上一个问题继续分析源码。 从forkret的源码我们可以知道，它调用了 usertrapret() 这个函数。而 usertrapret() 这个函数。而 usertrapret() 的代码也很特殊，需要一定的汇编指令的知识，它最终跳转到了 trampoline.S:userret 这个汇编指令。汇编指令 trampoline.S:userret 里使用到了一个特殊的指令 sret。这是 RiscV 处理器专门用来从内核态跳转到用户态的指令。在这个指令之前，我们看到的所有指令都是运行在内核态的。到 sret 之后，我们才接触到了第一个用户态的指令。
那么，处理器是怎么知道 sret 究竟要跳转到哪行代码继续执行呢？答案就在 trapframe 中。还记得我们要解决的第三个问题吗？这个命令 p->trapframe->epc=0 就是用来设置sret要跳转回的命令地址，因为这里设置为0，也就是跳转到用户程序的开头。
总结
这篇文章详细分析了XV6的第一个应用程序是怎么运行起来的。当然我写的还不够详细，关键还是需要你亲自读源码体会。如果你遇到解决不了的问题，欢迎在评论区留言。有时候别人只是一句话，自己折腾一下午。 如果你真的弄明白了第一个应用程序的运行机制，后续做XV6的实验题目会容易很多，不至于摸不着头脑，无从下手。
