# 快速陷入处理
[](https://github.com/YdrMaster/fast-trap/actions)
[](https://crates.io/crates/fast-trap)
[](https://github.com/YdrMaster/fast-trap/issues)
[](https://docs.rs/fast-trap)
这个库提供一套裸机应用程序陷入处理流程的框架，旨在保证处理性能的同时尽量复用代码。
> **感谢：2022 系统能力赛，哈工大（深圳），[FTL-OS](https://gitlab.eduxiji.net/DarkAngelEX/oskernel2022-ftlos) 提供灵感**
## 目录
- [概念](#概念)
- [术语](#术语)
- [高效转移](#高效转移)
- [陷入向量和突发寄存器](#陷入向量和突发寄存器)
- [陷入栈](#陷入栈)
- [陷入快速路径](#陷入快速路径)
- [切换现场](#切换现场)
- [任务兼容性](#任务兼容性)
- [陷入服务程序的一致抽象](#陷入服务程序的一致抽象)
- [设计解释](#设计解释)
- [使用说明](#使用说明)
- [功能测试](#功能测试)
- [性能测试](#性能测试)
## 概念
**陷入**是硬件的异步机制，由于异常或中断，一个连续的控制流会被硬件打断，然后从另一个位置继续开始。本文将发生陷入的控制流称为**现场控制流**，将由于陷入而到达的控制流称为**陷入控制流**。
对于现场控制流和陷入控制流的关系有 2 种认识：
1. 二者是对等的控制流；
2. 二者不是对等的，而是性质不同的 2 种控制流；
本文基于观点 #2 展开。即，本文认为，发生陷入导致控制流产生了 2 级结构。为方便叙述，规定：对于一次陷入产生的现场控制流和陷入控制流，将现场控制流称为低级控制流，陷入控制流称为高级控制流。
如果软件支持，在陷入控制流上还能再次发生陷入（这并不罕见），这一般被称为**陷入嵌套**。这些嵌套结构使控制流形成了时间上的树状结构。依本文的规定，可以用相对的级别来描述这些控制流的关系。下图展示了一个控制流发生 2 级嵌套的陷入时，控制流的转移过程：
```plaintext
root flow ----x----------x----> t
/ \ / \
/ \ / \_______________
/ \ / \
trap Lv.1 o------>o o-----x----------x---->o
/ \ / \
/ \ / \
/ \ / \
trap Lv.2 o------>o o------>o
```
关于这幅图，需要注意以下 3 点：
1. 图中箭头方向表示时序方向，不表示空间位置。即使是循环，也画成一条线；
2. `x` 表示一次陷入，一般的陷入都是硬件引起的（包括软中断、`ecall` 和 `ebreak`），但也并非绝对。凡是以特定方式进入高级控制流的过程，就认为是广义的陷入；
3. `o` 表示控制流具有空白的栈。箭头起点的 `o` 表示控制流从空白的栈开始，或者说没有**内生状态**，所有状态都来自外部指定，这些外部指定的状态可以理解为广义的参数。箭头指向的 `o` 表示控制流的生命周期结束，栈上所有信息都被清空，所有权转移或释放；
这个库定义了如何在嵌套的陷入中管理多个控制流。所有控制流被分为由用户主动构造的**根控制流**和硬件陷入产生的**非根控制流**。对于根控制流，库并不干涉，用户可以自由地定义其结构和管理方式。非根控制流的基本结构被库限定，以实现对其操作的封装。
### 术语
本文把**陷入**当作名词，描述硬件控制或模拟硬件控制，直接从一个控制流转移到另一个控制流的过程。从陷入控制流回到现场控制流的过程称为**恢复**。可以用**发生陷入**和**执行恢复**来指代这两个动作，以强调陷入通常是突发的、被动的，而恢复是自然的、主动的。
为了区分，**切换**只用于描述软件明确定义的**任务**之间的切换，控制流发生陷入和恢复的动作统一称为**转移**。
### 高效转移
与任意的根控制流相比，非根控制流强调**空入空出**。也就是说，只要发生陷入，一定转移到一个空的控制流，而运行完后则一定清空状态再执行恢复。这个设计是为了降低转移的开销。
如果转移发生在两个非空白的控制流之间，则必须先保存出控制流的现场，再恢复入控制流的现场，然后才能恢复入控制流执行。对于 RISC-V 这样有大量通用寄存器的架构来说，保存和恢复是沉重的负担，至少需要 `(32 - 1) × 2 = 62` 个访存的指令。但如果有一边是空白的控制流，就意味着不需要保存或恢复其现场，转移的开销就会降低一半。
恰好，保持陷入控制流的空入空出是容易的。因为陷入控制流是陷入发生前预先指定的，完全可以总是指定到空白的控制流。而执行恢复是主动的，有充分的时机在恢复前清空状态。因此，本文选择将陷入控制流以非根控制流的形式固定下来，实现控制流转移的高效封装。
如果读者了解**协程异步**，也许可以发现，非根控制流是介于**绿色线程/有栈协程**和**无栈协程**之间的东西。当它被抢占，它就是一个一般的线程，但当它开始和结束的时候，它由于具有特殊的状态而降低了开销。这和协程由于只能在预定的让出点转移，而能预编码转移过程以减小开销的方案如出一辙。
### 陷入向量和突发寄存器
硬件上（ARM、RISC-V M & H & S），陷入和恢复的转移行为是由陷入向量（trap vec）和突发寄存器（scratch）决定的。当硬件发现陷入条件（异常和中断），pc 将指向陷入向量。而刚到达陷入向量时，软件处于举目无亲的状态，所有通用寄存器都因为存放着现场而不能操作，只有预设的突发寄存器可以读写。突发寄存器里必须存放一个指向一些预留空间的指针，以供保存现场。
以上描述是现有的硬件设计决定的，对于软件来说是一种必然。软件能做的只是在可能的陷入发生之前把它们准备好。库提供了一个陷入处理例程，使用 `load_direct_trap_entry` 函数可以以直接模式将其配置到硬件。若要使用中断向量表，可以通过 `trap` 函数找到入口地址。
> 中断向量表是很有意义的，因为中断是外部事件触发的，比异常更加不可预测，中断几乎总是需要封存现场并切换任务，尤其是时钟中断。但异常的解决则非常多样，有可能因为十分简单而能更快地处理。进一步的讨论见[陷入快速路径](#陷入快速路径)。
陷入向量的设置是独立于陷入的，如果没有用于其他操作就只需要初始化一次。而突发寄存器每次陷入都会读写。[下一节](陷入栈)介绍了保存在突发寄存器里的陷入栈对象，包括其结构、生命周期、复用，以及如何构造、加载、卸载和回收。
### 陷入栈
突发寄存器保存着一个指针，同时这也是陷入发生的第一时间唯一可访问的动态数据。虽然任何静态的数据也都是可以找到和使用的，但出于内聚性考虑，将所有封装需要用到的东西打包放在一起是更好的选择。
这个库将陷入栈设计成一个在地址空间上连续的内存块。当用户预期陷入将会发生之前（例如从内核切换到用户之前或打开中断之前），需要预先分配一个陷入栈对象，然后将其**加载**到突发寄
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