Linux进程切换代码分析

朱宇轲 + 原创作品转载请注明出处 + 《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

这次我们来分析Linux中进程调度和切换的原理。

关于Linux的进程调度，有很多相关的算法，比如先进先出、最短作业优先等，这个不是我们讨论的重点，对此有兴趣的同学可以翻阅《现代操作系统》中的第二章来对其进行深入的了解。

在Linux中，进程的切换主要是通过调用schedule函数来实现的，shedule调用的时机为：

• 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。

也就是说，进程的切换主要是在中断处理过程中实现，此时是被动调度，一般的用户态进程走的都是这条路子；而对于内核线程来说，它可以在执行的过程中直接调用shedule函数，进行主动调度。

进程的切换需要挂起一个进程，然后保存当前进程相关的上下文，之后进入新的进程，当回到之前的进程时再重新载入之前的上下文。这和中断的保存变量是不一样的：中断是发生在同一个进程之中，只不过由用户态进入了内核态，而进程切换是两个进程之间的变换，需要保存更多的信息。

需要保存的进程上下文为：

• 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）

接下来我们来简要分析一下shedule函数。

进入函数中，可以看到这么一句：

next = pick_next_task(rq, prev);

这就是Linux中执行进程调度的函数，具体的细节予以封装，我们也不细深究。

context_switch(rq, prev, next);

这一句就是执行所谓的进程上下文切换，进入里面。

switch_to(prev, next, prev);

该函数执行了具体的切换操作，它的代码如下：

"pushfl\n\t"		/* save    flags */	\
"pushl %%ebp\n\t"		/* save    EBP   */	\
"movl %%esp,%[prev_sp]\n\t"	/* save    ESP   */ \
"movl %[next_sp],%%esp\n\t"	/* restore ESP   */ \
"movl $1f,%[prev_ip]\n\t"	/* save    EIP   */	\
"pushl %[next_ip]\n\t"	/* restore EIP   */	\
__switch_canary					\
"jmp __switch_to\n"	/* regparm call  */	\
"1:\t"						\
"popl %%ebp\n\t"		/* restore EBP   */	\
"popfl\n"			/* restore flags */

prev_sp、next_sp、prev_ip、next_ip是输入和输出参数，分别表示当前进程和下一个进程的ip与sp。

这段代码其实应该也不是很难理解，就是将内核堆栈的ebp压栈，然后将next进程的sp放入内核堆栈的esp中，同时将变换前的esp保存到prev进程的sp中。之后将1处的代码段放入prev中，并将next的ip压栈。

在这里需要注意的是，之后的jmp _switch_to会执行ret操作，此时就会出栈，将next的ip放入EIP里，接下来就会执行next进程的代码了。

而通过movl $1f,%[prev_ip]语句，当我们再次回到prev进程的时候，就会执行代码段1之后的语句，返回之前存储的上下文（EBP、FLAGS等），重新执行prev进程。

Linux的进程切换基本就是如此，下面是本次实验的截图：

今天就讲到这里，谢谢大家。