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

不同类型的进程有不同的调度需求

第一种分类:

  • I/O-bound:频繁进行I/O,花费很长时间等待I/O
  • CPU-bound:计算密集型,需要大量CPU时间进行计算

第二种分类:

  • 批处理进程:不必交互、很快响应
  • 实时进程:要求响应时间短
  • 交互式进程(shell)

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的进程根据优先级排队
  • Linux中进程的优先级是动态的

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。

2.进程调度的时机:

  • 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(只有内核态没有用户态的特殊进程)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,只能被动调度,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。

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;
  • 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(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

二、Linux系统的一般执行过程

  • 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
  • 几种特殊情况

    • 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;

三、Linux系统架构和执行过程概览

实验:

1.和上一个实验一样,下载新的menu

2.设置断点

3.单步追踪

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