CPU 虚拟化机制——受限直接执行 (LDE)

1. 引言：CPU虚拟化的核心问题

让多个进程看似同时运行在一个物理CPU上。核心思想是时分共享 (time sharing) CPU。为了实现高效且可控的时分共享，本章介绍了一种关键机制，称为受限直接执行 (Limited Direct Execution, LDE)。

1.1 LDE的基本思想

  1. 直接执行 (Direct Execution): 为了性能，让用户程序尽可能直接在硬件CPU上运行。
  2. 受限 (Limited): 操作系统必须施加限制，以确保它能保持对系统的控制权，并且用户程序不能执行危险或非授权的操作。

LDE基本思想

1.2 问题推导

问题推导

LDE协议有两个阶段：

  • 第一阶段（在系统引导时）：内核初始化陷阱表，并且CPU记住它的位置以供随后使用。内核通过特权指令来执行此操作。
  • 第二阶段（运行进程时）：在使用从陷阱返回指令开始执行进程之前，内核设置了一些内容（例如，在进程列表中分配一个节点，分配内存）。这会将CPU切换到用户模式并开始运行该进程。

2. 问题1：如何执行受限制的操作？

2.1 背景

直接执行时，如果进程需要执行I/O等特权操作怎么办？不能让用户进程随意操作硬件。

2.2 解决方案：引入特权级别 (Processor Modes)

  • 用户模式 (User Mode): 运行用户程序，权限受限，不能执行特权指令（如I/O）。
  • 内核模式 (Kernel Mode): 运行操作系统内核，拥有最高权限，可以执行任何指令，访问任何硬件。

2.3 解决方案：受保护的控制权转移 (Protected Control Transfer)

受保护的控制权转移

  • 系统调用 (System Calls): 用户程序通过执行特殊的trap指令，陷入(trap)到内核。
  • 陷入过程： trap指令会提升CPU权限到内核模式，并跳转到操作系统预设的代码地址。
  • 陷阱表 (Trap Table): 操作系统在启动时设置一个陷阱表，告诉硬件在发生特定事件时应该跳转到内核中的哪个处理程序。
  • 返回： 内核完成工作后，执行return-from-trap指令，降低CPU权限回用户模式。

3. 问题2：如何在进程之间切换？

3.1 背景

实现了LDE后，当一个进程在CPU上运行时，操作系统本身并没有运行。那么操作系统如何夺回控制权以切换到另一个进程，实现时分共享呢？

3.2 子问题：如何重获CPU的控制权？

方案1 (协作式 Cooperative):

  • 依赖进程"自觉"
  • 进程通过发起系统调用或产生错误将控制权交还给OS
  • 缺陷： 如果进程陷入死循环且不进行系统调用或出错，OS将失去控制权

方案2 (非协作式/抢占式 Preemptive):

  • 硬件支持——时钟中断 (Timer Interrupt)

时钟中断机制

  • OS在启动时设置并启动一个硬件时钟
  • 时钟会定期产生中断信号，强制打断当前运行的进程
  • CPU控制权转移给OS预设的中断处理程序

3.3 机制：上下文切换 (Context Switch)

当OS决定切换进程时，执行上下文切换：

  1. 保存当前进程的状态到其进程结构（如PCB）或内核栈中
  2. 加载下一个要运行进程的状态
  3. 切换内核栈指针
  4. 通过return-from-trap指令返回，CPU开始执行新加载的进程

4. 潜在问题：并发问题

提出担忧： 如果在处理系统调用或中断时，又发生了一个中断怎么办？

初步解答： 这是并发问题，将在后续章节详细讨论。常用方法包括在处理中断时禁止中断 (disable interrupts)，或使用复杂的**锁 (locking)**机制来保护内核数据结构。

5. 深入理解Trap和Trap Table

5.1 Trap (陷阱)

Trap机制说明

在操作系统和计算机体系结构的语境下，"陷阱"是一种机制，它允许将处理器的控制权从用户模式安全地转移到内核模式。

目的：

  • 执行受限操作： 通过系统调用实现
  • 处理异常和错误： 如除零、访问无效内存
  • 响应硬件中断： 如时钟中断、I/O完成信号

过程：

  1. 触发： 由trap指令、CPU错误/异常或硬件中断触发
  2. 硬件动作： 保存状态、提升权限、查询陷阱表
  3. 内核执行： 跳转到陷阱处理程序
  4. 返回： 通过return-from-trap指令返回用户模式

5.2 Trap Table (陷阱表)

陷阱表是一个由操作系统内核创建和维护的数据结构，通常是一个数组。

内容： 每一项包含内核中特定处理程序代码的内存地址

设置： 操作系统在启动过程中初始化陷阱表

作用： 指导硬件在发生事件时应该跳转到哪里

重要性： 确保控制权转移的安全性和可控性

6. 陷阱表的技术实现

6.1 陷阱表概述

陷阱表结构

  • 陷阱表本质上是一个数组结构
  • 数组的索引对应中断/异常/陷阱编号
  • 数组的每个元素包含处理该事件的内核代码地址和控制信息

6.2 x86架构的实现：中断描述符表（IDT）

在x86架构中，陷阱表被称为中断描述符表（IDT），最多包含256个条目。

门描述符结构：

struct idt_entry {uint16_t offset_low;    // 处理程序地址低16位uint16_t selector;      // 段选择子uint8_t  ist;           // IST索引和保留位uint8_t  type_attr;     // 类型和属性uint16_t offset_mid;    // 处理程序地址中16位uint32_t offset_high;   // 处理程序地址高32位uint32_t zero;          // 保留位
} __attribute__((packed));

6.3 IDT初始化代码示例

void initialize_idt() {// 设置除零错误处理程序set_idt_gate(0, (uint64_t)&divide_by_zero_handler, KERNEL_CS, 0x8E, 0);// 设置缺页错误处理程序set_idt_gate(14, (uint64_t)&page_fault_handler, KERNEL_CS, 0x8E, 0);// 设置时钟中断处理程序set_idt_gate(32, (uint64_t)&timer_interrupt_handler, KERNEL_CS, 0x8E, 0);// 设置系统调用处理程序（注意DPL=3）set_idt_gate(128, (uint64_t)&system_call_handler, KERNEL_CS, 0xEE, 0);// 设置IDT指针idt_pointer.limit = sizeof(idt_table) - 1;idt_pointer.base  = (uint64_t)&idt_table;// 加载IDT寄存器load_idt(&idt_pointer);
}

6.4 处理程序实现

C语言处理函数：

void timer_interrupt_handler_c() { /* 时钟中断逻辑 */ }
uint64_t system_call_handler_c(uint64_t syscall_num, uint64_t arg1, ...) { /* 处理系统调用 */ }

汇编包装器：

timer_interrupt_handler_asm:pushaq                      ; 保存所有通用寄存器call timer_interrupt_handler_c  ; 调用C函数popaq                       ; 恢复所有通用寄存器iretq                       ; 中断返回

7. 总结

通过LDE机制解释了如何虚拟化CPU的核心思想是让程序直接运行，但预先设置好硬件限制（用户/内核模式、陷阱处理、时钟中断），就像给房间做"宝宝防护 (baby proofing)"一样。这样既保证了效率，又维持了OS的控制权。

关键机制包括：

  • 特权级别分离
  • 受保护的控制权转移
  • 时钟中断
  • 上下文切换
  • 陷阱表

实验：测量上下文调度时间

创建两个进程。

创建两个管道 (pipe) 用于这两个进程间双向通信。

管道 1：进程 A -> 进程 B

管道 2：进程 B -> 进程 A

关键： 将这两个进程绑定到同一个 CPU 核心上运行。这可以使用 sched_setaffinity() (Linux) 或类似系统调用。这是为了确保测量的是单个 CPU 上的上下文切换，而不是因为进程在不同 CPU 间迁移。

进行乒乓通信：

进程 A 向管道 1 写入少量数据（例如 1 字节）。

进程 A 尝试从管道 2 读取数据。由于管道 2 是空的，进程 A 会阻塞 (block)。

操作系统检测到进程 A 阻塞，执行上下文切换，调度进程 B 运行。

进程 B 尝试从管道 1 读取数据（读取 A 写入的数据）。

进程 B 向管道 2 写入少量数据。

进程 B 尝试从管道 1 读取数据。由于管道 1 现在是空的，进程 B 会阻塞。

操作系统检测到进程 B 阻塞，执行上下文切换，调度进程 A 运行（此时 A 可以读到 B 写入的数据，解除阻塞）。

这样完成了一个来回 (round trip)。

重复这个来回很多次。

记录总时间，除以总的来回次数，得到平均每次来回的时间。

注意： 一个完整的来回包含两次上下文切换（A->B 和 B->A）。所以，用平均来回时间除以 2，得到单次上下文切换的估算成本。

2.2 工具
pipe(): 创建 UNIX 管道。

fork(): 创建子进程。

write(), read(): 通过管道读写数据。

sched_setaffinity(): (Linux) 将进程绑定到指定 CPU 核心。需要包含 <sched.h> 并可能需要定义 _GNU_SOURCE。

wait() 或 waitpid(): 父进程等待子进程结束。

计时函数: 使用 clock_gettime() 。

#define _GNU_SOURCE // 需要这个宏才能使用 sched_setaffinity
#define _POSIX_C_SOURCE 199309L
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sched.h>
#include <time.h>
#include <string.h> // For memset#define ITERATIONS 100000 // 上下文切换测量的迭代次数
#define CPU_TO_BIND 0      // 绑定到 CPU 核心 0，确保你的系统有这个核心// Helper function to calculate time difference in nanoseconds
long long timespec_diff_ns(struct timespec start, struct timespec end) {return (end.tv_sec - start.tv_sec) * 1000000000LL + (end.tv_nsec - start.tv_nsec);
}int main() {int pipe1[2]; // Pipe: Parent -> Childint pipe2[2]; // Pipe: Child -> Parentpid_t child_pid;struct timespec start_time, end_time;long long total_elapsed_ns;double avg_round_trip_ns, avg_context_switch_ns;char buffer = 'x'; // 用于在管道中传输的单个字节// 创建两个管道if (pipe(pipe1) == -1 || pipe(pipe2) == -1) {perror("pipe creation failed");return 1;}// 创建子进程child_pid = fork();if (child_pid == -1) {perror("fork failed");return 1;}// 设置 CPU 亲和性 (Affinity)cpu_set_t cpu_set;CPU_ZERO(&cpu_set);CPU_SET(CPU_TO_BIND, &cpu_set);if (sched_setaffinity(0, sizeof(cpu_set_t), &cpu_set) == -1) {perror("sched_setaffinity failed");// 不一定是致命错误，但测量结果可能不准}if (child_pid == 0) {// --- 子进程代码 ---close(pipe1[1]); // 关闭 pipe1 的写端close(pipe2[0]); // 关闭 pipe2 的读端for (long i = 0; i < ITERATIONS; ++i) {// 从父进程读if (read(pipe1[0], &buffer, 1) != 1) {perror("Child read failed");exit(1);}// 写回给父进程if (write(pipe2[1], &buffer, 1) != 1) {perror("Child write failed");exit(1);}}close(pipe1[0]);close(pipe2[1]);exit(0);} else {// --- 父进程代码 ---close(pipe1[0]); // 关闭 pipe1 的读端close(pipe2[1]); // 关闭 pipe2 的写端// 获取开始时间 (在循环开始前)if (clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &start_time) == -1) {perror("clock_gettime start failed");return 1;}// 执行乒乓通信循环for (long i = 0; i < ITERATIONS; ++i) {// 写给子进程if (write(pipe1[1], &buffer, 1) != 1) {perror("Parent write failed");exit(1);}// 从子进程读 (会阻塞，触发 A->B 切换)if (read(pipe2[0], &buffer, 1) != 1) {perror("Parent read failed");exit(1);}// 读完后，子进程会阻塞，触发 B->A 切换}// 获取结束时间if (clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &end_time) == -1) {perror("clock_gettime end failed");return 1;}// 等待子进程结束wait(NULL);close(pipe1[1]);close(pipe2[0]);// 计算总耗时total_elapsed_ns = timespec_diff_ns(start_time, end_time);// 计算平均每次来回耗时avg_round_trip_ns = (double)total_elapsed_ns / ITERATIONS;// 计算平均每次上下文切换耗时 (来回时间 / 2)avg_context_switch_ns = avg_round_trip_ns / 2.0;printf("Measured %ld round trips between two processes on CPU %d.\n", (long)ITERATIONS, CPU_TO_BIND);printf("Total time: %lld ns\n", total_elapsed_ns);printf("Average round trip time: %.2f ns\n", avg_round_trip_ns);printf("Average context switch cost: %.2f ns\n", avg_context_switch_ns);}return 0;
}// 编译: gcc -o measure_ctxsw measure_ctxsw.c -lrt -D_GNU_SOURCE
// 运行: ./measure_ctxsw

在这里插入图片描述

8. 参考资料

  1. 陷阱、中断、异常、信号
  2. OSTEP

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