用 C 语言实现操作系统
本文选自 | 《操作系统基础：C 语言实现用户线程》
Chat 作者 | Allen()
整理 | linse
码农都懂的一句话：C 语言无所不能，什么都能搞。把 C 学好，上手其他语言也会事半功倍。因为热爱 C 语言，所以才有了以下这篇文——
一直以来，我们学习线程切换与调度，都是通过阅读操作系统书籍或 Linux 源码甚至反汇编 Window 内核代码。无论怎样，这些东西都很抽象，学习起来十分困难。
另外，随着现代化编程语言逐渐流行，C++20 的正式发布，都离不开用户态线程这些基础知识。再比如 Golang 的 Goroutine，腾讯公司的开源的 libco，百度的 BRPC 中的 bthread，如果想深刻理解它们，都需要扎实的基本功。
本文会带你循序渐近的掌握以下知识点：
- 控制流切换原理
- 上下文切换
- 线程设计
- 调度函数的封装与代码模块化
- 线程的主动切换
- 时间片轮转调度
本文实验环境：
- ubuntu 16.04 32 位操作系统（读者请务必提前安装好）；
- 挑选一个你自己觉得好用的虚拟机软件，比如 VMWare；
- 请把你的虚拟机环境配置成单核 CPU。
学习时间：大于 5 小时
本场 Chat 作者——Allen()
百度高级研发工程师，CSDN 博客专家。目前从事智能交互式对话系统云端开发。负责过大流量、高并发等业务场景。
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回归正文，我为什么要使用 32 位系统？因为方便初学者学习，也能更快速的掌握原理。
需要注意的是，本文的代码，并没有使用操作系统为我们提供的 pthread 系列函数，thread_create 和 thread_join 函数都是自己纯手工实现的。唯一使用操作系统的函数就是设置时钟，因此会有时钟信号产生，这一步是为了模拟时间片轮转算法而做的。
01
控制流切换原理
控制流，指的是一系列按顺序执行的指令。比如你编写的多线程程序，每个线程就可以看成是一个控制流，多个线程允许多个控制流一起执行。
在我们学习编程的时候，如果不借助操作系统提供的线程框架，几乎无法完成多控制流的运行的。
接下来剖析一下，我们的指令如何”莫名奇妙“的就切换到其它线程的。
1.1 指令执行
不管你用的是什么语言编程，最后都要落实到 CPU 上，而 CPU 只认识它自己的语言，机器语言。机器语言可以抽象出对应 CPU 架构的汇编指令。
对于单核 CPU 来说，永远只有一条控制流，也就是只有一条指令序列。所以，宏观上模拟的多线程程序，本质上还只是单控制流，所谓的多线程，只不过是一种被制造出来的假像！
1.2 控制流切换(x86 CPU 架构)
汇编指令在执行的时候，最重要地方在于它需要依赖 CPU 环境：
- 一套通用寄存器 (eax、edx、ecx、ebx、esp、ebp、esi、edi)；
- 标志寄存器 eflags；
- 指令寄存器 eip (eip 用来保存下一条要被指令的地址)。
如果你不理解 CPU 寄存器是什么意思，把它想象成它是 CPU 中预先定义好的变量。
1.3 再论控制流切换
我们换个思路，不修改栈的内容，而是直接换一个栈，本质上也就是换 esp 的值，能不能达到相同的效果？
话说回来，这个真的是控制流“切换”吗，只是看起来像而已，本质上它只是个跳转。
02
上下文切换
切换出去，是完成线程调度，最关键的一点在于还得切换回来。
2.1 上下文切换原理
上下文切换不同于第 1 节所述的暴力切换，因为在那个实验里，我们永远无法重新返回到 main 函数中。如果你想从那个 fun 函数再跳回目的地，我们需要在切换控制流前保存当前寄存器环境，以及当前的栈顶位置。
2.2 保存寄存器环境
有很多种手段保存寄存器环境，最简单的一种就是保存到定义好结构体去。
03
用户态线程设计
相信上下文切换的实验你已经写出来了，不过你肯定还很多不满意的地方：
- 线程的切换太暴力
- 代码看起来一箩筐没有组织
- 看起来根本没有线程的样子
在我们需要对程序进行改进时，主要有以下 2 点：
- 封装线程创建函数
- 完成一个简单的调度算法
在完整原文里，我带领大家完成了线程切换与线程调度的框架，在此基础上，还可以探索更多有关线程的东西，比如线程的同步与互斥，还有更多的线程状态。理解了本文之后，更深入的学习对你来说已经不是难事了！
最终的结果和下图的效果一样
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图1 用户态线程运行示例
本场 Chat 关键点总结：
- 理解“栈切换”的本质
- 掌握指令执行与栈的关系
- 掌握上下文是如何切换的
- 理解主动切换，知道主动切换可能会发生在哪些地方
- 理解什么是时间片
- 对于不主动让出 cpu 的线程，是如何切换到其它进程的
本文的代码托管在 Github，在文件夹 v5 里，有需要的朋友可以点击阅读原文，订阅这场 Chat 获取代码！