Linux内核分析作业第八周

进程的切换和系统的一般执行过程

一、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。

二、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

31#define switch_to(prev, next, last)                    \
32do {                                    \
33    /*                                \
34     * Context-switching clobbers all registers, so we clobber    \
35     * them explicitly, via unused output variables.        \
36     * (EAX and EBP is not listed because EBP is saved/restored    \
37     * explicitly for wchan access and EAX is the return value of    \
38     * __switch_to())                        \
39     */                                \
40    unsigned long ebx, ecx, edx, esi, edi;                \
41                                    \
42    asm volatile("pushfl\n\t"       /* 保存当前进程的标志位 */    \
43             "pushl %%ebp\n\t"       /* 保存当前进程的堆栈基址EBP */   \
44             "movl %%esp,%[prev_sp]\n\t"    /* 保存当前栈顶ESP */ \
45             "movl %[next_sp],%%esp\n\t"    /* 把下一个进程的栈顶放到esp寄存器中，完成了内核堆栈的切换，从此往下压栈都是在next进程的内核堆栈中。 */  \
46             "movl $1f,%[prev_ip]\n\t"    /* 保存当前进程的EIP */    \
47             "pushl %[next_ip]\n\t"    /* 把下一个进程的起点EIP压入堆栈 */    \
48             __switch_canary                    \
49             "jmp __switch_to\n"   /* 因为是函数所以是jmp，通过寄存器传递参数，寄存器是prev-a，next-d，当函数执行结束ret时因为没有压栈当前eip，所以需要使用之前压栈的eip，就是pop出next_ip。 */
50             "1:\t"                 /* 认为next进程开始执行。 */
51             "popl %%ebp\n\t"        /* restore EBP   */    \
52             "popfl\n"            /* restore flags */    \
53             /* output parameters 因为处于中断上下文，在内核中 prev_sp是内核堆栈栈顶 prev_ip是当前进程的eip */                        \
54             /* output parameters */                \
55             : [prev_sp] "=m" (prev->thread.sp),        \
56               [prev_ip] "=m" (prev->thread.ip),        \
57               "=a" (last),                    \
58                                    \
59               /* clobbered output registers: */        \
60               "=b" (ebx), "=c" (ecx), "=d" (edx),        \
61               "=S" (esi), "=D" (edi)                \
62                                           \
63               __switch_canary_oparam                \
64                                    \
65               /* input parameters: */                \
66             : [next_sp]  "m" (next->thread.sp),        \
67               [next_ip]  "m" (next->thread.ip),        \
68                                           \
69               /* regparm parameters for __switch_to(): */    \
70               [prev]     "a" (prev),                \
71               [next]     "d" (next)                \
72                                    \
73               __switch_canary_iparam                \
74                                    \
75             : /* reloaded segment registers */            \
76            "memory");                    \
77} while (0)

三、Linux系统的一般执行过程

1、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、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；

四、Linux操作系统架构和系统执行过程概览

1、操作系统基本概念

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境

2、Linux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、最简单也是最复杂的操作ls

4、站在CPU和内存角度看Linux系统的执行

5、从内存的角度

五、Linux的系统结构

六、用gdb对schedule进行

1、环境搭建：

2、设置断点

3、list查看断点所在代码段，发现schedule（）被调用

4、c之后按n单步执行，直到遇到__schedule函数

5、继续执行，直到发现context_switch函数

6、继续单步执行，直到发现context_switch函数

7、设置断点后，进入其内部查看