Linux 第八周实验进程的切换和系统的一般执行过程

姬梦馨

原创作品

《Linux内核分析》MOOC课程：http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

第八讲进程的切换和系统的一般执行过程

学习笔记

一：进程的调度时机与进程的切换

1：进程调度时机

两种分类

a：I/O-bound       频繁的进行I/O

    通常会花费很多时间等待I/O操作的完成

    CPU-bound      计算密集型

    需要大量的CPU时间进行运算

b：批处理进程（batch process）  不必与用户交互，通常在后台运行，不必很快响应。

    典型的批处理程序：编译程序、科学计算

    实时进程（real-time process）：有实时需求，不应被低优先级的进程阻塞，响应时间要短、要稳定

    典型的实时进程：视频/音频、机械控制等

    交互式进程（interactive process）：需要经常与用户交互，因此要花很多时间等待用户输入操作

                                                  响应时间要快，平均延迟要低于50~150ms

    典型的交互式程序：shell、文本编辑程序、图形应用程序等

2：进程调度的时机

schedule()函数负责调度。
中断处理过程（包括时钟中断、I/O中断、系统调用和异常）中，直接调用schedule()，或者返回用户态时根据need_resched标记调用schedule()；比如sleep，就可能直接调用了schedule
内核线程可以直接调用schedule()进行进程切换，也可以在中断处理过程中进行调度，也就是说内核线程作为一类的特殊的进程可以主动调度，也可以被动调度；
用户态进程无法实现主动调度，仅能通过陷入内核态后的某个时机点进行调度，即在中断处理过程中进行调度。用户态进程只能被动调度。

 用户态被动调度

 内核线程只有内核态没有用户态的特殊进程，无需系统调用。

3：进程的切换

为了控制进程的执行，内核必须有能力挂起正在CPU上执行的进程，并恢复以前挂起的某个进程的执行，这叫做进程切换、任务切换、上下文切换；即进程上下文切换！
挂起正在CPU上执行的进程，与中断时保存现场是不同的，中断前后是在同一个进程上下文中，只是由用户态转向内核态执行；
进程上下文包含了进程执行需要的所有的信息

     用户地址空间：包括程序代码，数据，用户堆栈等

     控制信息：进程描述符，内核堆栈等

     硬件上下文（注意中断也要保存硬件上下文只是保存的方法不同）

schedule()函数选择一个新的进程来运行，并调用context_switch进行上下文的切换，这个宏调用switch_to来进行关键上下文切换
next = pick_next_task(rq, prev);//进程调度算法都封装这个函数内部
context_switch(rq, prev, next);//进程上下文切换
switch_to利用了prev和next两个参数：prev指向当前进程，next指向被调度的进程

4：进程的调度

Linux中进程优先级是动态的，周期性调整。
Linux的进程根据优先级排队
内核中的调度算法相关代码使用了类似OOD中的策略模式，将调度算法与其他部分解耦合。

二：Linux系统的一般执行过程

正在运行的用户态进程X切换到运行用户态进程Y的过程

1：发生中断，完成以下步骤:

save cs:eip/esp/eflags(current) to kernel stack

load cs:eip(entry of a specific ISR) and ss:esp(point to kernel stack)

2: SAVE_ALL //保存现场，这里是已经进入内核中断处里过程

3:中断处理过程中或中断返回前调用了schedule()，其中的switch_to做了关键的进程上下文切换

没有发生中断上下文的切换，与最一般的情况略简略.

4：标号1之后开始运行用户态进程Y(这里Y曾经通过以上步骤被切换出去过因此可以从标号1继续执行)

5： restore_all //恢复现场

6：继续运行用户态进程Y

进程间的特殊情况

通过中断处理过程中的调度时机，用户态进程与内核线程之间互相切换和内核线程之间互相切换

与最一般的情况非常类似，只是内核线程运行过程中发生中断没有进程用户态和内核态的转换；

内核线程主动调用schedule()，只有进程上下文的切换，没有发生中断上下文的切换，与最一般

的情况略简略；

创建子进程的系统调用在子进程中的执行起点及返回用户态，如fork；

加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况，如execve；
0-3G内核态和用户态都可以访问，3G以上只能内核态访问。
内核是所有进程共享的。
内核是各种中断处理过程和内核线程的集合。

三、Linux系统架构和执行过程概览

1.Linux操作系统架构

操作系统分为：

内核，进程管理，进程调度，进程间通讯机制，内存管理，中断异常处理，文件系统，I/O系统，网络部分

其他程序

函数库，shell程序，系统程序……

最关键：CPU和内存

操作系统的目的：

与硬件交互，管理所有的硬件资源
为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境

四：实验过程

1：在shell命令行中依次运行以下命令

2：打开gdb，并且分别设置断点

3:停在了断点1：schedule

4：停在了断点2：context_switch

5:按n单步执行，出现相同的地方。

6：qemu

总结：

进程的调度时机等还是有一般情况和具体情况的，我们要根据情况的不同具体的分析问题。

比如：进程优先级

调度算法中最基本的一类就是基于优先级的调度——根据进程的价值和其对处理器时间的需求来对进程分级。
调度程序总是选择时间片未用尽而且优先级最高的进程运行。