11.9 XV6线程第一次调用switch函数

（注，首先是学生提问Linux内一个进程多个线程的实现方式，因为在XV6中，一个进程只有一个用户线程）

学生提问：操作系统都带了线程的实现，如果想要在多个CPU上运行一个进程内的多个线程，那需要通过操作系统来处理而不是用户空间代码，是吧？那这里的线程切换是怎么工作的？是每个线程都与进程一样了吗？操作系统还会遍历所有存在的线程吗？比如说我们有8个核，每个CPU核都会在多个进程的更多个线程之间切换。同时我们也不想只在一个CPU核上切换一个进程的多个线程，是吧？

Robert教授：Linux是支持一个进程包含多个线程，Linux的实现比较复杂，或许最简单的解释方式是：几乎可以认为Linux中的每个线程都是一个完整的进程。Linux中，我们平常说一个进程中的多个线程，本质上是共享同一块内存的多个独立进程。所以Linux中一个进程的多个线程仍然是通过一个内存地址空间执行代码。如果你在一个进程创建了2个线程，那基本上是2个进程共享一个地址空间。之后，调度就与XV6是一致的，也就是针对每个进程进行调度。

学生提问：用户可以指定将线程绑定在某个CPU上吗？操作系统如何确保一个进程的多个线程不会运行在同一个CPU核上？要不然就违背了多线程的初衷了。

Robert教授：这里其实与XV6非常相似，假设有4个CPU核，Linux会找到4件事情运行在这4个核上。如果并没有太多正在运行的程序的话，或许会将一个进程的4个线程运行在4个核上。或者如果有100个用户登录在Athena机器上，内核会随机为每个CPU核找到一些事情做。

如果你想做一些精细的测试，有一些方法可以将线程绑定在CPU核上，但正常情况下人们不会这么做。

学生提问：所以说一个进程中的多个线程会有相同的page table？

Robert教授：是的，如果你在Linux上，你为一个进程创建了2个线程，我不确定它们是不是共享同一个的page table，还是说它们是不同的page table，但是内容是相同的。

学生提问：有没有原因说这里的page table要是分开的？

Robert教授：我不知道Linux究竟用了哪种方法。

（注，以下是线程第一次调用switch的过程）

学生提问：当调用swtch函数的时候，实际上是从一个线程对于switch的调用切换到了另一个线程对于switch的调用。所以线程第一次调用swtch函数时，需要伪造一个“另一个线程”对于switch的调用，是吧？因为也不能通过swtch函数随机跳到其他代码去。

Robert教授：是的。我们来看一下第一次调用switch时，“另一个”调用swtch函数的线程的context对象。proc.c文件中的allocproc函数会被启动时的第一个进程和fork调用，allocproc会设置好新进程的context，如下所示：

实际上大部分寄存器的内容都无所谓。但是ra很重要，因为这是进程的第一个switch调用会返回的位置。同时因为进程需要有自己的栈，所以ra和sp都被设置了。这里设置的forkret函数就是进程的第一次调用swtch函数会切换到的“另一个”线程位置。

学生提问：所以当swtch函数返回时，CPU会执行forkret中的指令，就像forkret刚刚调用了swtch函数并且返回了一样？

Robert教授：是的，从switch返回就直接跳到了forkret的最开始位置。

学生提问：因吹斯听，我们会在其他场合调用forkret吗？还是说它只会用在这？

Robert教授：是的，它只会在启动进程的时候以这种奇怪的方式运行。下面是forkret函数的代码，

从代码中看，它的工作其实就是释放调度器之前获取的锁。函数最后的usertrapret函数其实也是一个假的函数，它会使得程序表现的看起来像是从trap中返回，但是对应的trapframe其实也是假的，这样才能跳到用户的第一个指令中。

学生提问：与之前的context对象类似的是，对于trapframe也不用初始化任何寄存器，因为我们要去的是程序的最开始，所以不需要做任何假设，对吧？

Robert教授：我认为程序计数器还是要被初始化为0的。

因为fork拷贝的进程会同时拷贝父进程的程序计数器，所以我们唯一不是通过fork创建进程的场景就是创建第一个进程的时候。这时需要设置程序计数器为0。

学生提问：在fortret函数中，if(first)是什么意思？

Robert教授：文件系统需要被初始化，具体来说，需要从磁盘读取一些数据来确保文件系统的运行，比如说文件系统究竟有多大，各种各样的东西在文件系统的哪个位置，同时还需要有crash recovery log。完成任何文件系统的操作都需要等待磁盘操作结束，但是XV6只能在进程的context下执行文件系统操作，比如等待I/O。所以初始化文件系统需要等到我们有了一个进程才能进行。而这一步是在第一次调用forkret时完成的，所以在forkret中才有了if(first)判断。