【MOOC EXP】Linux内核分析实验八报告

程涵 

原创博客

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

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进程的切换和系统的一般执行过程

知识点梳理

一、进程切换的关键代码分析

1.1 进程调度与进程调度的时机分析

　　操作系统原理中介绍了大量进程调度算法，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。 对于理解操作系统的工作机制，反而是进程的调度时机与进程的切换机制更为关键。

不同类型的进程有不同的调度需求

• 第一种分类：

  • 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

• 第二种分类：

  • 批处理进程
  • 实时进程
  • 交互式进程shell

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。

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既支持普通的分是进程。也支持实时进程。Linux的调度基于分时和优先级。

Linux根据进程的优先级进行排队

• 根据特定的算法计算出进程的优先级，用一个值表示，这个值表示把进程如何适当的分配给CPU。

• Linux中进程的优先级是动态的，调度程序会根据进程行为的周期性调整进程的优先级。（较长时间未分配到CPU的进程优先级升高，已在CPU上运行了较长时间的进程优先级下降）

schedule函数：实现调度，在队列中自傲一个进程把CPU分配给它。

调用方法：

• 直接调用schedule()
• 松散调用，根据need_resched标记

1.2 进程上下文切换相关代码分析

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。

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

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);//封装了使用的某种进程调度策略，选择一个进程作为next

• context_switch(rq, prev, next);//实现进程上下文切换

• switch_to切换寄存器的状态和堆栈，利用两个参数：prev指向当前进程，next指向被调度的进程

 

二、Linux系统的一般执行过程

2.1 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

1. 正在运行的用户态进程X
2. 发生中断——save cs:eip/esp/eflags(current) to kernel stack,then load cs:eip(entry of a specific ISR) and ss:esp(point to kernel stack).
3. SAVE_ALL //保存现场
4. 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
5. 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)
6. restore_all //恢复现场
7. iret - pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack
8. 继续运行用户态进程Y

2.2 Linux系统的一般执行过程中的几个特殊情况

几种特殊情况：

1. 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
2. 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
3. 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
4. 加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况，如execve

三、Linux系统架构和执行过程概览

3.1 Linux操作系统架构概览

1. 操作系统的基本概念及目的

任何计算机系统都包含一个基本的程序集合，称为操作系统。

• 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（例如函数库、 shell程序、系统程序等等）

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

2. 典型的Linux操作系统架构

• 硬件管理
• 内核实现
• 系统调用
• 基础软件（shell、lib）
• 用户程序

3.2 最简单、最复杂的操作——执行ls命令

3.3 从CPU和内存的角度看Linux系统的执行

1. 执行gets()函数

2. 执行系统调用，陷入内核

3. 等待输入，CPU会调度其他进程执行，同时wait一个I/O中断

4. 输入ls，发I/O中断给CPU，中断处理程序进行现场保存、压栈等等

5. 中断处理程序发现X进程在等待这个I/O（此时X已经变成阻塞态），处理程序将X设置为WAKE_UP

6. 进程管理可能会把进程X设置为next进程，这样gets系统调用获得数据，再返回用户态堆栈

7. 从CPU执行指令的角度看：

8. 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：

实验过程及截图

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：

linux系统的一般执行过程：

X正在运行--->发生中断，可能陷入内核，CPU自动保存加载--->SAVE_ALL保存现场--->调用schedule，switch_to进程上下文切换--->标号1之后运行Y（之前有进行准备动作）--->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

进程调度算法只是一种抽象，着重理解进程的调度时机与进程的切换机制。