【一个操作系统的设计与实现】第13章 任务（四）：任务回收

在前面的两章中，我们的操作系统均不支持任务回收，所以任务不能退出。本章将要实现的是任务回收功能。

13.1 任务回收的原理

如果一个任务位于任务队列中，其就会被运行。所以，如果一个任务的运行已经结束，它就应该从任务队列中删除。

仅仅将任务从任务队列中删除是不够的，这是因为任务还持有一些内存没有释放，这包括以下两部分：

1. 任务地址空间中的页。包括3特权级栈、任务的加载地址，以及任务在运行期间申请的内存（我们的操作系统不支持此操作）
2. 任务加载时分配的3页（loadTaskPL0函数和loadTaskPL3函数的第一行代码）

回收这两部分内存都不是难事，但问题是，谁来回收这两部分内存？是内核，还是任务自己？

如果由内核负责回收，那么，想要回收任务地址空间中的页，就需要临时切换到任务的CR3（就像任务加载时那样）。这个方案是可行的，只是略显麻烦。感兴趣的读者可以自行尝试。

如果由任务负责回收，那么，任务地址空间中的页可以直接回收，不需要切换CR3。但内核空间中的3页如果也由任务回收的话，将导致任务的0特权级栈立即失效，而此时，任务的回收还没有彻底结束，必然存在至少一条需要使用0特权级栈的指令，如ret，这条指令一旦执行，就会引发页错误。所以，这个方案是不可行的。（这段描述可能会令读者感到困惑，读者不妨先跳过这段话，在实现了任务回收以后再行理解）。

综上，由任务回收任务地址空间中的页比较方便，而内核中的3页必须由内核回收。因此，可将任务的回收分为两部分：

1. 任务负责回收任务地址空间中的页
2. 内核负责回收任务加载时分配的3页

任务切换是基于任务队列进行的。同理，任务回收也可以基于一个队列进行，不妨称之为退出队列。任务退出时，需要先回收任务地址空间中的页，然后将TCB添加到退出队列。另一方面，内核需要定期查看退出队列，如果其中存在TCB，就将其取出，并回收这个任务的3页内存。

13.2 任务回收的实现

13.2.1 回收任务地址空间中的页

请看本章代码13/Memory.h。

第11行，声明了deallocateTaskCR3函数。

接下来，请看本章代码13/Memory.hpp。

deallocateTaskCR3函数是本章新增的函数，其用于回收任务地址空间中的页。页的回收从PDE开始，如果PDE的P位为0，就可以直接跳过这个PDE；如果PDE的P位为1，就需要进一步遍历其中的1024个PTE，如果PTE的P位为1，就需要回收PTE指向的页，最后，还要回收PDE指向的页。

第141行，循环768次，每次考察一个PDE。768个PDE对应的是3G的任务地址空间。

第143行，使用第8章中的公式取得PDE指针。

第145行，判断PDE的P位。

第147行，遍历当前PDE中的每一个PTE。

第149行，使用第8章中的公式取得PTE指针。

第151行，判断PTE的P位。

第153行，从物理地址位图中删除PTE指向的页。PTE带有页属性，需要去除后才是物理地址。由于任务马上就要被回收了，所以虚拟地址位图无需修改。

第157行，从物理地址位图中删除PDE指向的页。同样的，PDE带有页属性，需要去除后才是物理地址，且不需要修改虚拟地址位图。

13.2.2 回收任务加载时分配的页

请看本章代码13/Task.h。

第19行，声明了外部链接的退出队列exitQueue。

第25行，声明了deleteTask函数。

接下来，请看本章代码13/Task.hpp。

第13行，定义了退出队列exitQueue。

第51行，对退出队列进行初始化。

deleteTask函数是本章新增的函数，其用于回收任务加载时分配的3页。

任务加载时，使用的是allocateKernelPage(3)以分配连续的3页，且第一页被用于TCB。因此，回收任务时，可以从退出队列中取出一个TCB，然后使用deallocateKernelPage函数直接回收连续的3页。

第216行，循环直至退出队列为空。

第218行，从退出队列中取出一个TCB，然后回收连续的3页。

接下来，请看本章代码13/Kernel.c。

第22行，在循环中不断调用deleteTask函数，从而定期回收退出的任务。

第24行，将CPU挂起，等待外中断的唤醒。

13.2.3 任务退出系统调用

请看本章代码13/Int.s。

第9\~10行，声明了外部链接的退出队列exitQueue，以及deallocateTaskCR3函数。

taskExit函数是本章新增的函数。这是一个系统调用，用于任务退出。

第162行，调用deallocateTaskCR3函数，回收任务地址空间中的页。

第164\~165行，取得TCB地址。

第167\~170行，将TCB添加到退出队列中。

第172\~190行与时钟中断处理函数的后半部分，即第130\~148行一致。用于从任务队列中取出一个TCB并切换到这个TCB。

第248行，保留系统调用号1给后续章节使用（读取键盘输入的系统调用）。

第249行，将taskExit函数安装到系统调用表中，其系统调用号为2。

13.2.4 任务的自动回收

现在，2号系统调用已经安装，任务应在退出时发起这个系统调用。即，任务的代码应当是这样：

int main()
{
    // ...

    __asm__ __volatile__(
        "int $0x30\n\t"
        :
        : "a"(2)
    );
}

然而，要求每个main函数都在最后加这样一段代码是不现实的。这段代码应在任务退出时自动执行，这就是_start存在的意义。_start是一个任务真正的入口，main函数是由_start调用的，因此，在调用main函数的前后，还能进行其他操作。

请看本章代码13/Start.s。

第1行，将编译模式设定为32位。

第3行，声明外部链接的main函数。

第5行，将_start声明为外部链接的。

第7行，开始定义_start。

第9行，调用main函数。

第11\~12行，在main函数退出后，自动发起2号系统调用。

接下来，请看本章代码13/Makefile。

第6行，编译Start.s。

第9行，将Test.o与Start.o共同链接。此时，不再需要-e main。

现在，每个任务都需要与Start.o共同链接，以具备自动发起2号系统调用的能力。在实际的操作系统中，含有_start的库会被链接器自动使用，所以，用户无需显式的写出这个库。

13.3 测试

本章使用的测试任务是13/Test.c。现在，我们的操作系统有任务的自动回收功能了，所以，任务可以正常退出，不再需要无限循环了。