22.漫谈兼容内核之二十二：Windows线程的调度和运行

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1、漫谈兼容内核之二十二:Windows线程的调度和运行毛德操了解Windows线程的系统空间堆栈以后，还有必要对Windows线程的调度、切换、和运行也有所了解。当然，就兼容内核的开发而言，内核的线程调度/切换/运行机制只能有一套，而且必定是基本上沿用Linux的这套机制，而不可能在一个内核中有两套调度/运行机制。但是对于Windows这套机制的了解对于兼容内核的开发也很重要，并且还是必须的。举例来说，大家都知道在Windows系统中段寄存器FS在用户空间指向TEB、而在系统空间则指向KPCR，而且Windows的DDK中也

2、公开了KPCR数据结构的定义。这样，设备驱动模块的开发者就有可能在程序中通过段寄存器FS获取KPCR的地址，并按KPCR数据结构的定义访问其中的某些字段。然而如果内核中并不真的有个KPCR，或者FS并不指向KPCR，那就要乱套了。所以，为了在兼容内核中支持设备驱动界面，就得把KPCR等等揉合进去，而那些东西其实就是Windows的线程切换/运行机制的一部分。为此，我们先要了解一下Windows内核中有关这一方面的格局，这要从x86的系统结构谈起。所谓“Intel架构”、即x86的系统结构，其最初的设计是在二十多年以前。当初

3、一来是还没有“简约指令集”即RISC的概念，二来是把操作系统的设计与实现考虑得太复杂、太繁琐，因而把CPU系统结构的设计与实现也考虑得太复杂、太繁琐了。就我们所关心的问题而言，这主要表现在两个方面。首先，Intel在x86的系统结构中把CPU的执行权限分得很细，分成了从0环至3环共4个“环”，并让CPU运行于0环时具有最高的权限，而运行于3环时则权限最低。但是从后来的发展看，无论是Linux还是Windows，实际上都只分系统(即内核)和用户两种状态、或称两个空间就够了，因而只使用了4个环中的两个，即0环(内核)和3环(用

4、户)。另一方面，Intel在“任务”(当初的“任务”相当于进程，现在则相当于线程)切换上也动了很多脑筋，其设计意图是让每个任务、即进程或线程、都有一个独立的“任务状态段”TSS，里面包含了几乎所有寄存器的映像，而通过TSS的切换来实现任务的切换，而且只要一条指令就能完成这样的切换。这条指令把几乎所有寄存器(除一些“系统寄存器”如GDTR等以外)的当前内容都一下子保存到当前任务的TSS中；然后通过一个实质上相当于段寄存器的“任务寄存器”TR切换到目标任务的TSS，就是使TR改而指向目标任务的TSS；再从这TSS中恢复目标任务

5、的寄存器映像，切换就完成了。这整个过程都集成在一条指令中，从程序上看是一步到位。而这功能如此强大的指令，则实际上既可以是call指令、也可以是jmp指令，还可以是ret指令或是中断的发生(由此可见本来应该很简单的call指令、jmp指令，还有ret指令的实现变得多么复杂)。TSS中还有关于一个任务的其它重要信息，包括从0环到2环共三个环的堆栈段寄存器和堆栈指针的映像。其设计意图是，当CPU从外环(例如3环)进入内环(例如0环)时，就从当前任务的TSS中把内环的堆栈指针(以及段寄存器SS的映像)装入ESP(以及SS)。此外，

6、TSS中还有一个“I/O权限位图”，位图中的每一位都代表着I/O地址空间(共64KB)的一个字节，如果为0就表示即使在3环中也可以对此字节执行in、out等I/O指令。Intel的这些设计意图都实现了。可是论者却认为这样做真是得不偿失，因为这使call、jmp、ret等指令的设计与实现都大大复杂化了，还使指令流水线的设计与实现也大大复杂化了，并且CPU芯片上的许多资源都被用来实现这些并非必须的功能。再说，虽然是单指令“一步到位”，但是这指令的执行时间却大大延长了，实际上也没有带来明显的好处。事实上，jmp指令在实现任务切换

7、时需要200多个时钟周期。有200多个周期，在流水线操作的条件下，通过程序和堆栈实现任务切换也差不多了。因此，他们认为Intel这是把本来可以简单的事情不必要而且不值得地复杂化了。不过这只是RISC拥护者的看法。可是，更有甚者，对于Intel如此良苦的用心，本该从中获益的操作系统设计人员竟也不领情。无论是Linux还是Windows，线程的切换都没有使用Intel提供的这种单指令手段，而都是通过程序与堆栈实现的，与TSS几乎没有多少关系。但是，尽管没有采用基于TSS的线程切换手段，线程切换却离不了TSS。这主要是因为CPU

8、在从用户空间进入系统空间时自动到TSS中去获取系统空间的堆栈指针。此外，如果在用户空间执行in、out等I/O指令，CPU也要到TSS中去核对I/O权限位图。所以，在切换线程的时候，TSS不一定要切换，但是里面的ESP0等字段却还是必须要改变，因为不同线程的系统空间堆栈的位置各不相同。至于I/O权限位图