第三章：任务切换与调度

设两个程序分别输出字符 A 和 B。一个程序输出后主动让出处理器，另一个程序随后执行。下一次轮到第一个程序时，它需要继续原来的循环，保留循环变量和函数调用的进度。

操作系统为每个程序保存执行状态，并在程序之间分配处理器。本章分析上下文切换和调度过程。

本章在内核中的位置

第二章已经建立用户程序进入内核、处理请求和返回用户态的路径。第三章在这条路径中加入任务切换：处理系统调用或时钟中断时，当前程序可以暂停，内核转而恢复另一个程序。程序的代码与静态栈空间在启动时准备好，页表与独立地址空间将在第四章讨论。

保存哪些状态

程序进入内核时，异常入口保存用户寄存器和返回地址。这些信息用于恢复用户态执行，rCore 将其放在 TrapContext 中，uCore 将其放在 trapframe 中。

处理请求的内核代码也会调用函数并使用栈。切换到另一个任务之前，还需要保存当前内核调用的继续执行位置。两套实现的切换上下文都包含 ra、sp 和 s0—s11。其他寄存器由调用约定以及异常入口的保存过程共同处理。

图中左侧表示程序进入内核时保存的用户状态；右侧表示内核暂停这条执行流时保存的切换状态。恢复内核上下文后，内核先完成原有处理过程，再通过异常返回恢复用户程序。

上下文切换汇编最后执行 ret。此时 ra 已从目标上下文恢复，ret 跳转到目标任务的继续执行位置；sp 也指向目标任务的内核栈。一个切换调用可以隔着其他任务的执行，稍后才返回。

任务状态与调度资格

一个准备运行的任务处于就绪状态。被选中后进入运行状态。主动让出或被时钟抢占时，它重新进入就绪状态，等待后续调度。退出后则失去运行资格。

两套内核使用不同的枚举名称：

uCore 的枚举还包含 SLEEPING 和 ZOMBIE，第三章的这些路径没有使用它们。两套实现都在切换前更新调度状态，随后保存与恢复寄存器。

主动让出与时钟抢占

主动让出从用户程序的系统调用开始。内核保存用户上下文，分发让出请求，将当前任务设为就绪，再执行调度。时钟抢占由中断触发，内核设置下一次定时器，然后进入同一调度接口。

异常原因区分主动让出与时钟抢占。两条路径随后汇合到 yield 或 suspend_current_and_run_next，执行相同的调度过程。

两种切换路径

rCore 在当前任务的内核执行流中选择下一个任务，然后直接切换。uCore 先保存当前进程的内核上下文，恢复调度器上下文；调度器继续扫描进程表，再切换到选中的进程。

逐步查看切换过程：选择主动让出、时钟抢占、退出或仅一个任务可运行的场景，观察任务状态和执行位置的变化。

切换时需要保持的条件

• 目标任务已就绪，其上下文和栈存储仍然有效。
• 恢复用户态执行时，当前任务标识与实际程序一致。
• 暂停任务保留原有上下文，退出任务不再被选中。
• rCore 在调用 __switch 前释放任务管理器的动态借用，使其他任务能够访问管理状态。

rCore 的任务管理器直接选择并切换任务；uCore 的调度循环先返回调度器，再选择下一进程。