Linux内核分析第八周总结

第八章 进程的切换和系统的一般执行过程

进程调度与进程调度的时机分析

第一种分类：

• I/O密集型（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密集型（CPU-bound）：计算密集型，需要大量的CPU时间进行运算

  第二种分类：

• 批处理进程：不必与用户交互，通常在后台运行，不必很快响应。主要用于编译程序，科学计算
• 交互式进程：需要经常与用户交互，所以要花很多时间等待用户输入操作，响应时间要快，平均延迟低于50~150ms。主要用于shell，文本编辑程序，图形应用程序

• 实时进程：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。主要用于视频、音配、机械控制。

不同的进程要采取不同的进程调度策略

调度策略：是一组规则，它们决定什么时候以怎样的方式选择一个新进程运行

Linux的调度基于分时和优先级策略：

• 进程根据优先级（系统根据特定算法计算出来）排队；
• 这个优先级的值表示如何适当分配CPU；
• 调度程序会根据进程的运行周期动态调整优先级；较长时间未分配到CPU的进程，通常提升优先级，已经在CPU上运行了较长时间的进程，通常降低优先级

调度策略本质上是一种算法，这些算法从实现的角度看仅仅是从运行队列中选择一个新进程，选择的过程中运用了不同的策略而已

进程的调度时机

• 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()
• 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，内核线程是只有内核态没有用户态的特殊进程。

  进程切换上下文的相关代码

• 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。
• 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，但是是同一个进程，而进程上下文的切换是两个进程在切换。
• 进程上下文包含了进程执行需要的所有信息：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（中断也要保存硬件上下文只是保存的方法不同，中断是通过压栈来解决的，而这里是通过schedule函数）
• 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)来完成进程上下文切换

• 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

Linux系统的一般执行过程

Linux系统的一般执行过程分析

最一般的情况：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

• 正在运行的用户态进程X
• 发生中断
• 进入内核代码，SAVE_ALL //保存现场
• 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
• 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）
• restore_all //恢复现场
• iret - pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack
• 继续运行用户态进程Y

关键点：中断和中断返回中有CPU上下文的切换，进程调度的过程中有进程上下文的切换，此时切换了两个进程间的堆栈

linux系统执行过程中的几个特殊情况：

• 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；（如果下一个进程是尚未被调用过的进程，它的执行的起点是ret_from_fork，nexp_ip=ret_from_fork）
• 加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况，如execve；(修改中断时保存的信息)

X86下的地址空间有4G，0~3G用户态、内核态可以访问，3G以上只有内核态可以访问
内核是所有进程共享的。内核相当于出租车，进程相当于客人，对所有进程都一样。没有进程需要“承载”的时候，内核进入idle0号进程进行“空转”
内核是各种中断处理过程和内核线程的集合

Linux系统架构和执行过程概览

Linux操作系统架构概览

最简单、最复杂的操作——执行ls命令：

从CPU和内存的角度看Linux系统的执行：

• 从CPU角度看：一个进程调度：等待键盘输入的时候，cpu会切换到其他进程，同时在进行等待：因为输入键盘会产生I/O中断，再调度回来
• 从内存角度看：所有的物理地址都会被映射到3G以上的地址空间：因为这部分对所有进程来说都是共享的

实验

完成跟踪

总结：

linux调度的核心函数为schedule，schedule函数封装了内核调度的框架。细节实现上调用具体的调度类中的函数实现。当切换进程已经选好后，就开始用户虚拟空间的处理，然后就是进程的切换switch_to()。所谓进程的切换主要就是堆栈的切换，这是由宏操作switch_to()完成的。而且知道schedule中调用next = pick_next_task(rq, prev);实行进程调度算法，其后调用context_switch(rq, prev, next);进行进程上下文切换，其中context_switch(rq, prev, next)中的宏switch_to起着关键作用。