/**
* @file process.h
* @author longjin
* @brief 进程
* @date 2022-01-29
*
* @copyright Copyright (c) 2022
*
*/
#pragma once
#include "../common/cpu.h"
#include "../common/glib.h"
#include "../mm/mm.h"
#include "../syscall/syscall.h"
#include "ptrace.h"
#include <common/errno.h>
#include <filesystem/VFS/VFS.h>
#include <process/wait_queue.h>
// 进程最大可拥有的文件描述符数量
#define PROC_MAX_FD_NUM 16
// 进程的内核栈大小 32K
#define STACK_SIZE 32768
// 进程的运行状态
// 正在运行
#define PROC_RUNNING (1 << 0)
// 可被中断
#define PROC_INTERRUPTIBLE (1 << 1)
// 不可被中断
#define PROC_UNINTERRUPTIBLE (1 << 2)
// 挂起
#define PROC_ZOMBIE (1 << 3)
// 已停止
#define PROC_STOPPED (1 << 4)
// 内核代码段基地址
#define KERNEL_CS (0x08)
// 内核数据段基地址
#define KERNEL_DS (0x10)
// 用户代码段基地址
#define USER_CS (0x28)
// 用户数据段基地址
#define USER_DS (0x30)
// 进程初始化时的数据拷贝标志位
#define CLONE_FS (1 << 0) // 在进程间共享打开的文件
#define CLONE_SIGNAL (1 << 1)
#define CLONE_VM (1 << 2) // 在进程间共享虚拟内存空间
/**
* @brief 内存空间分布结构体
* 包含了进程内存空间分布的信息
*/
struct mm_struct
{
pml4t_t *pgd; // 内存页表指针
// 代码段空间
ul code_addr_start, code_addr_end;
// 数据段空间
ul data_addr_start, data_addr_end;
// 只读数据段空间
ul rodata_addr_start, rodata_addr_end;
// BSS段的空间
uint64_t bss_start, bss_end;
// 动态内存分配区（堆区域）
ul brk_start, brk_end;
// 应用层栈基地址
ul stack_start;
};
struct thread_struct
{
// 内核层栈基指针
ul rbp; // in tss rsp0
// 内核层代码指针
ul rip;
// 内核层栈指针
ul rsp;
ul fs, gs;
ul cr2;
// 异常号
ul trap_num;
// 错误码
ul err_code;
};
// ========= pcb->flags =========
// 进程标志位
#define PF_KTHREAD (1UL << 0) // 内核线程
#define PF_NEED_SCHED (1UL << 1) // 进程需要被调度
#define PF_VFORK (1UL << 2) // 标志进程是否由于vfork而存在资源共享
/**
* @brief 进程控制块
*
*/
struct process_control_block
{
// 进程的状态
volatile long state;
// 进程标志：进程、线程、内核线程
unsigned long flags;
int64_t preempt_count; // 持有的自旋锁的数量
long signal;
long cpu_id; // 当前进程在哪个CPU核心上运行
// 内存空间分布结构体， 记录内存页表和程序段信息
struct mm_struct *mm;
// 进程切换时保存的状态信息
struct thread_struct *thread;
// 连接各个pcb的双向链表（todo：删除这个变量）
struct List list;
// 地址空间范围
// 用户空间： 0x0000 0000 0000 0000 ~ 0x0000 7fff ffff ffff
// 内核空间： 0xffff 8000 0000 0000 ~ 0xffff ffff ffff ffff
uint64_t addr_limit;
long pid;
long priority; // 优先级
long virtual_runtime; // 虚拟运行时间
// 进程拥有的文件描述符的指针数组
// todo: 改用动态指针数组
struct vfs_file_t *fds[PROC_MAX_FD_NUM];
// 链表中的下一个pcb
struct process_control_block *next_pcb;
// 父进程的pcb
struct process_control_block *parent_pcb;
int32_t exit_code; // 进程退出时的返回码
wait_queue_node_t wait_child_proc_exit; // 子进程退出等待队列
};
// 将进程的pcb和内核栈融合到一起,8字节对齐
union proc_union
{
struct process_control_block pcb;
ul stack[STACK_SIZE / sizeof(ul)];
} __attribute__((aligned(8)));
// 设置初始进程的PCB
#define INITIAL_PROC(proc) \
{ \
.state = PROC_UNINTERRUPTIBLE, \
.flags = PF_KTHREAD, \
.mm = &initial_mm, \
.thread = &initial_thread, \
.addr_limit = 0xffffffffffffffff, \
.pid = 0, \
.virtual_runtime = 0, \
.signal = 0, \
.priority = 2, \
.preempt_count = 0, \
.cpu_id = 0, \
.fds = {0}, \
.next_pcb = &proc, \
.parent_pcb = &proc, \
.exit_code = 0, \
.wait_child_proc_exit = 0 \
}
/**
* @brief 任务状态段结构体
*
*/
struct tss_struct
{
unsigned int reserved0;
ul rsp0;
ul rsp1;
ul rsp2;
ul reserved1;
ul ist1;
ul ist2;
ul ist3;
ul ist4;
ul ist5;
ul ist6;
ul ist7;
ul reserved2;
unsigned short reserved3;
// io位图基地址
unsigned short io_map_base_addr;
} __attribute__((packed)); // 使用packed表明是紧凑结构，编译器不会对成员变量进行字节对齐。
// 设置初始进程的tss
#define INITIAL_TSS \
{ \
.reserved0 = 0, \
.rsp0 = (ul)(initial_proc_union.stack + STACK_SIZE / sizeof(ul)), \
.rsp1 = (ul)(initial_proc_union.stack + STACK_SIZE / sizeof(ul)), \
.rsp2 = (ul)(initial_proc_union.stack + STACK_SIZE / sizeof(ul)), \
.reserved1 = 0, \
.ist1 = 0xffff800000007c00, \
.ist2 = 0xffff800000007c00, \
.ist3 = 0xffff800000007c00, \
.ist4 = 0xffff800000007c00, \
.ist5 = 0xffff800000007c00, \
.ist6 = 0xffff800000007c00, \
.ist7 = 0xffff800000007c00, \
.reserved2 = 0, \
.reserved3 = 0, \
.io_map_base_addr = 0 \
}
// 获取当前的pcb
struct process_control_block *get_current_pcb()
{
struct process_control_block *current = NULL;
// 利用了当前pcb和栈空间总大小为32k大小对齐，将rsp低15位清空，即可获得pcb的起始地址
__asm__ __volatile__("andq %%rsp, %0 \n\t"
: "=r"(current)
: "0"(~32767UL));
return current;
};
#define current_pcb get_current_pcb()
#define GET_CURRENT_PCB \
"movq %rsp, %rbx \n\t" \
"andq $-32768, %rbx\n\t"
/**
* @brief 切换进程上下文
* 先把rbp和rax保存到栈中，然后将rsp和rip保存到prev的thread结构体中
* 然后调用__switch_to切换栈，配置其他信息，最后恢复下一个进程的rax rbp。
*/
#define switch_proc(prev, next) \
do \
{ \
__asm__ __volatile__("pushq %%rbp \n\t" \
"pushq %%rax \n\t" \
"movq %%rsp, %0 \n\t" \
"movq %2, %%rsp \n\t" \
"leaq switch_proc_ret_addr(%%rip), %%rax \n\t" \
"movq %%rax, %1 \n\t" \
"pushq %3 \n\t" \
"jmp __switch_to \n\t" \
"switch_proc_ret_addr: \n\t" \
"popq %%rax \n\t" \
"popq %%rbp \n\t" \
: "=m"(prev->thread->rsp), "=m"(prev->thread->rip) \
: "m"(next->thread->rsp), "m"(next->thread->rip), "D"(prev), "S"(next) \
: "memory"); \
} while (0)
/**
* @brief 初始化系统的第一个进程
*
*/
void process_init();
/**
* @brief fork当前进程
*
* @param regs 新的寄存器值
* @param clone_flags 克隆标志
* @param stack_start 堆栈开始地址
* @param stack_size 堆栈大小
* @return unsigned long
*/
unsigned long do_fork(struct pt_regs *regs, unsigned long clone_flags, unsigned long stack_start, unsigned long stack_size);
/**
* @brief 根据pid获取进程的pcb
*
* @param pid
* @return struct process_control_block*
*/
struct process_control_block *process_get_pcb(long pid);
/**
* @brief 将进程加入到调度器的就绪队列中
*
* @param pcb 进程的pcb
*/
void process_wakeup(struct process_control_block *pcb);
/**
* @brief 使当前进程去执行新的代码
*
* @param regs 当前进程的寄存器
* @param path 可执行程序的路径
* @param argv 参数列表
* @param envp 环境变量
* @return ul 错误码
*/
ul do_execve(struct pt_regs *regs, char *path, char *argv[], char *envp[]);
/**
* @brief 释放进程的页表
*
* @param pcb 要被释放页表的进程
* @return uint64_t
*/
uint64_t process_exit_mm(struct process_control_block *pcb);
/**
* @brief 进程退出时执行的函数
*
* @param code 返回码
* @return ul
*/
ul process_do_exit(ul code);
/**
* @brief 当子进程退出后向父进程发送通知
*
*/
void process_exit_notify();
/**
* @brief 切换页表
* @param prev 前一个进程的pcb
* @param next 下一个进程的pcb
*
*/
#define process_switch_mm(next_pcb) \
do \
{ \
asm volatile("movq %0, %%cr3 \n\t" ::"r"(next_pcb->mm->pgd) \
: "memory"); \
} while (0)
// flush_tlb(); \
// 获取当前cpu id
#define proc_current_cpu_id (current_pcb->cpu_id)
extern unsigned long head_stack_start; // 导出内核层栈基地址（定义在head.S）
extern ul _stack_start;
extern void ret_from_intr(void); // 导出从中断返回的函数（定义在entry.S）
extern struct tss_struct initial_tss[MAX_CPU_NUM];
extern struct mm_struct initial_mm;
extern struct thread_struct initial_thread;
extern union proc_union initial_proc_union;
extern struct process_control_block *initial_proc[MAX_CPU_NUM];