调度器 (Scheduler)

Proka 内核的调度器负责管理和切换线程，是实现并发和多任务处理的核心组件。我们采用了一种高度模块化和可插拔的设计，允许在运行时或编译时轻松替换调度算法。

设计理念

调度器的核心设计目标是 解耦 和 灵活性。

• 抽象与实现分离：通过 Scheduler Trait 定义调度器的标准行为，将接口与具体的调度算法（如优先级调度、时间片轮转等）完全分开。
• 可插拔性：内核持有一个全局的 Scheduler trait object (Box<dyn Scheduler>)。这意味着可以动态替换调度器实现，为测试、性能分析或特定应用场景下的优化提供了极大的便利。
• 进程与线程分离：明确了进程 (Process) 作为资源（内存、文件描述符）的所有者，而线程 (Thread) 作为被调度的执行单元。

进程切换 vs 线程切换

调度器在 schedule_next 过程中会执行以下逻辑：

1. 线程上下文切换：始终执行，保存旧线程寄存器，加载新线程寄存器。
2. 地址空间切换：仅在 old_pid != new_pid 时执行。此时会向 Cr3 寄存器写入新进程的 vspace（页表基址），实现硬件级的地址空间隔离。

核心抽象

调度器模块围绕以下几个核心抽象构建：

Scheduler Trait

所有调度算法都必须实现 Scheduler trait (kernel/src/process/scheduler.rs)，它定义了调度器的标准接口：

• init(): 初始化调度器，创建空闲线程 (idle thread)。
• schedule(): 核心调度函数，决定下一个要运行的线程。
• create_kernel_thread() / create_user_thread(): 创建新的内核或用户线程。
• terminate_thread(): 终止一个线程，将其标记为待回收状态。
• block_ipc() / unblock(): 改变线程状态以支持阻塞操作（如 IPC）。
• get_thread() / get_thread_mut(): 获取线程控制块 (TCB) 的引用。

SchedulerError

一个统一的错误枚举，覆盖了所有调度操作可能遇到的问题，例如 MaxThreadsReached 或 ThreadNotFound。

进程与线程模型

• 进程 (ProcessControlBlock, PCB): 定义在 kernel/src/process/process.rs。它是资源管理的单位，拥有：

  • 独立的虚拟内存空间 (MemorySet)。
  • 文件描述符表 (fds)。
  • 当前工作目录 (cwd)。
  • 一个或多个线程。

• 线程 (ThreadControlBlock, TCB): 定义在 kernel/src/process/thread.rs。它是CPU调度的基本单位，包含：

  • 唯一的线程ID (Tid) 和所属进程的ID (Pid)。
  • 线程状态（如 Running, Runnable, BlockedIpc）。
  • 寄存器上下文 (Context)，用于在切换时保存和恢复状态。
  • 内核栈。

具体实现

Proka 内核目前内置了两种调度器实现，位于 kernel/src/process/schedulers/ 目录下。

1. 优先级调度器 (PriorityScheduler)

这是内核默认的调度器，实现了基于优先级的抢占式调度。

• 工作原理: 调度器维护一个由 256 个队列组成的 PriorityQueue，每个队列对应一个优先级（0-255，0为最高）。调度时，总会从最高优先级的非空队列中选择下一个线程来执行。
• 公平性: 为了防止低优先级线程“饿死“ (starvation)，PriorityQueue 的出队逻辑包含一个简单的公平性机制：每隔一定次数的调度，会尝试从较低优先级的队列中选择线程。
• 适用场景: 适用于需要区分任务重要性的场景，确保高优先级任务（如驱动程序、中断处理）能够及时响应。

2. 时间片轮转调度器 (RoundRobinScheduler)

这是一个更简单的、非优先级的调度器实现。

• 工作原理: 所有可运行的线程被放在一个先进先出 (FIFO) 队列中。每次时钟中断 (timer_tick) 触发调度时，当前线程被移到队尾，队列头部的线程成为下一个运行的线程。
• 适用场景: 作为可插拔调度器架构的简单示例，适用于所有任务优先级相同的场景。

集成与使用

• 初始化: 内核在 kernel_main 函数中通过调用 scheduler::init() 来初始化默认的 PriorityScheduler。可以通过 scheduler::set_scheduler() 函数来替换为其他调度器。
• 时钟中断 (timer_tick): APIC Timer 的中断处理程序会调用 scheduler::timer_tick()，这会触发一次抢占式调度，确保没有线程可以无限期地占用CPU。
• 主动让出 (yield_thread): 线程可以主动调用 scheduler::yield_thread() 来放弃CPU，触发一次调度，让其他线程运行。
• 阻塞与唤醒: 当线程需要等待资源（例如，等待一个 IPC 消息）时，调度器会将其状态设置为 Blocked 并从就绪队列中移除。当资源可用时，其他代码（如 IPC 子系统）会调用 scheduler::unblock() 来唤醒该线程，使其重新进入_就绪队列。