第八周 进程的切换和系统的一般执行过程

一、进程切换的关键代码switch_to分析

1.进程调度与进程调度的时机分析

(1)进程分类

  1. 第一种分类

    • I/O-bound:等待I/O
    • CPU-bound:大量占用CPU进行计算
  2. 第二种分类
    • 交互式进程(shell)
    • 实时进程
    • 批处理进程

(2)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的调度基于分时优先级

  • Linux的进程根据优先级排队

    • 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进程中的优先级是动态的
    • 调度程序会根据进程的行为周期性地调整进程的优先级
    • 例如:
      • 较长时间未被分配到cpu的进程,通常↑
      • 已经在cpu上运行了较长时间的进程,通常↓
  • 内核中的调度算法相关代码使用了类似OOD中的策略模式

调度算法与其他部分解耦合。

(3)进程调度的时机

  • schedule函数实现调度

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

2.进程切换上下文的相关代码分析

(1)一般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,这叫做进程上下文切换

挂起正在CPU上执行的进程,与中断时保存现场不同(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)。

进程上下文切换是两个进程在切换。

  • 进程上下文包含信息更多

    • 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:保护现场、恢复现场;进程上下文:switch_to)

(2)分析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);//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

接下来通过context_switch完成进程上下文切换

其中,通过switch_to完成寄存器的切换,先保存当前进程的寄存器,再进行堆栈切换,之后所有的压栈都是在新进程的堆栈中了,再切换eip,这样当前进程可以从新进程中恢复

next_ip一般是$1f,对于新创建的进程来说就是ret_from_fork

jmp __switch_to是函数调用,通过寄存器传递参数;函数执行结束return的时候从下一条指令开始。

二、Linux系统的一般执行过程

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


 正在运行的用户态进程X
发生中断   save cs:eip/esp/eflags(current) to kernel stack  压入内核堆栈
   then load cs:eip(entry of a specific ISR) and ss:esp(point to kernel stack)    把当前进程的内核堆栈的信息保存,和当前中断例程的起点加载 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

注意:

  • 中断上下文的切换
  • 进程上下文的切换

2.Linux系统执行过程中的几个特殊情况

  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;

3.内核与舞女

  1. 内核就是各种中断处理过程和内核线程的集合
  2. 内核相当于出租车,可以为每一个“招手”的进程提供内核态到用户态的转换
  3. 没有进程需要“承载”的时候,内核进入idle0号进程进行“空转”
  4. 3G以上的部分就是这样的“出租车”,是所有进程共享的,在内核态部分切换的时候就比较容易

三、Linux 系统架构和执行过程概述

1.Linux操作系统架构概览

(1)典型的Linux操作系统的结构

2.最简单也是最复杂的操作——执行ls命令

3.CPU和内存的角度看Linux系统的执行

(1)从CPU角度看

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。

(2)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

四、实验——自行调试schedule函数

1.配置实验环境,确保menu内核可以正常启动

2.进入gdb调试,在shedule和context_switch处设置断点

3.开始调试,Menu内核启动在shedule处中断

4.开始单步调试,直到程序执行到__schedule处,list代码

5.下面在picknexttask处设置断点,list查看代码

6.最终调用finishtaskswitch函数完成进程上下文的切换

7.结束调试,继续执行,进入到contextswitch函数断点处,list查看contextswitch函数详细代码

根据调试结果,schedule函数调用__ schedule函数,__ schedule函数调用pick_ next_ task函数和context_ switch函数,pick_ next_ task函数先指定了调度策略,context_ switch函数进行进程上下文切换

五、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

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