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04 时钟、内核线程与调度

目标

建立 kernel 内部并发执行能力，为驱动等待、异步 I/O、进程和用户态做准备。

前置条件

• 中断入口可用。
• 内存分配可用。
• 至少一个 timer 可接入。

建议边界

• kernel/sched/core.c：run queue、调度选择、tick 和 IRQ exit 调度边界。
• kernel/sched/thread.c：线程对象创建、初始栈、退出和 DEAD 线程回收。
• kernel/sched/wait.c：等待队列。
• kernel/sched/idle.c：idle thread。
• kernel/sched/sched.h：调度子系统私有接口，不向通用内核层公开内部状态。
• kernel/selftest/sched.c：当前阶段的调度自测和启动演示线程。
• kernel/time/：通用时间与 timer 抽象。
• arch/x86/：具体 timer、上下文切换。

实现内容

• 建立 kernel thread。
• 建立上下文切换。
• 建立 run queue。
• 建立 sleep/wakeup。
• 建立基础 spinlock 或 interrupt-safe lock。
• 接入 timer tick 或 one-shot timer。
• 为 workqueue、deferred work、completion、引用计数生命周期管理预留位置。

非玩具化约束

• 调度器不能直接绑定某一种硬件 timer。
• 线程数量不能固定写死。
• 等待队列要能被驱动、文件系统和进程等待复用。
• 日志只能辅助观察，不能成为调度逻辑的一部分。
• 内核对象不能依赖“永不释放”的假设。
• 任何可睡眠路径和不可睡眠路径要从接口上区分。

验收方式

• 两个以上 kernel thread 能轮转。
• 线程可以 sleep 并被 timer 唤醒。
• 调度现场保存和恢复稳定。
• 基础对象生命周期规则有文档和调用约束。

当前状态

基础完成：

• 已建立 x86 PIC remap，外部 IRQ 使用 vector 32-47，不再和 CPU exception 混用。
• 已接入 PIT periodic timer，当前频率为 100Hz。
• 已建立通用 timer_tick() 入口和 timer_ticks() 计数接口。
• 已在 trap dispatch 中区分 CPU exception 和外部 IRQ。
• 已建立 IRQ handler 注册表，timer IRQ0 通过 irq_register() 接入分发路径。
• 已对已处理 IRQ 发送 EOI，避免中断只触发一次。
• 已建立最小 kernel thread 对象，包含 id、状态、入口、参数、内核栈和 run queue 链接。
• 已建立动态 run queue，不固定写死线程数量。
• 已能通过 kernel_thread_create() 动态分配线程对象和内核栈。
• 已建立 x86 上下文切换入口，保存/恢复 callee-saved 寄存器和栈指针。
• 已建立线程 trampoline，新线程能从独立内核栈进入自己的入口函数。
• 已建立协作式 round-robin，两个 kernel thread 能通过 sched_yield() 轮转运行。
• 已把调度接入 timer_tick()，timer tick 会唤醒到期 sleep 线程并标记 need_resched。
• 已建立 idle thread，所有普通线程 sleep/wait 时由 idle 承接 CPU。
• 已提供 sched_sleep()，线程可以睡眠指定 tick 数并被 timer 唤醒。
• 已提供 wait_queue_init()、wait_queue_sleep()、wait_queue_wake_one() 和 wait_queue_wake_all()。
• 已提供 wait_queue_wait() 和 wait_queue_wait_timeout()，调用方可以等待条件成立，并在超时路径上获得失败返回值。
• 已建立单 CPU interrupt-safe lock 基础，当前 spin_lock_irqsave() 会保存并关闭中断，spin_unlock_irqrestore() 会恢复原中断状态。
• 已把 kernel_thread_create() 中的线程 id 分配和 run queue 入队纳入 interrupt-safe lock 保护。
• 已建立 sched_irq_exit()，timer IRQ 只设置 need_resched，trap 的 IRQ 返回边界统一消费调度请求。
• 已建立最小 DEAD 线程回收路径，调度前会释放非当前 DEAD 线程的内核栈和线程对象。
• 已把调度代码按职责拆分为 core.c、thread.c、wait.c、idle.c 和私有 sched.h，并把当前阶段自测/演示线程移到 kernel/selftest/sched.c。
• scripts/check.sh 已验证 timer initialized、timer tick=1/2/3、scheduler initialized、kernel thread selftest ok、timer 驱动线程轮转、sched_sleep()、wait queue wakeup、条件等待和超时等待。

后续扩展：

• 把当前 sched_irq_exit() 继续收敛为更严格的 trap-frame aware interrupt-exit reschedule 模型，避免把普通线程栈切换入口长期当成完整抢占式切换。
• 继续扩大 interrupt-safe lock 覆盖范围，明确可睡眠路径和不可睡眠路径的锁规则。
• 为 wait queue 增加更严格的状态检查，并把条件检查与 wakeup 边界纳入明确锁规则。
• 为线程退出增加更完整的生命周期状态、引用规则和最终释放约束。

下一阶段：

• 继续在 04-time-scheduler.md 内推进 interrupt-safe lock、线程退出回收和更严格的 interrupt-exit reschedule。