Linux内核分析——第八周学习笔记

实验作业：进程调度时机跟踪分析进程调度与进程切换的过程

20135313吴子怡.北京电子科技学院

【第一部分】理解Linux系统中进程调度的时机

1.Linux的调度程序是一个叫schedule()的函数，这个函数被调用的频率很高，由它来决定是否要进行进程的切换，如果要切换的话，切换到哪个进程等等。

2.Linux调度时机主要有：

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。

【第二部分】使用gdb跟踪分析一个schedule()函数 ，验证对Linux系统进程调度与进程切换过程的理解

使用MenuOS进行调试,并设置合适的断点。

①首先在schedule处停下来:

②查看当前进程tsk,观察到该进程pid=1,stack=0xC7858000

③继续执行,到__schedule中的关键函数pick_next_task停下

④查看队列rq

⑤context_switch

⑥switch_to宏&__switch_to函数

⑦在这里查看切换的进程prev&next,prev就是最开始tsk

【第三部分】分析switch_to中的汇编代码，理解进程上下文的切换机制，以及与中断上下文切换的关系

1.关键函数的调用关系:

schedule() --> context_switch() --> switch_to --> __switch_to()

• schedule()

这里调用__schedule(),tsk为当前进程。

asmlinkage __visible void __sched schedule(void)
{
    struct task_struct *tsk = current;
    sched_submit_work(tsk);
    __schedule();
}

• __schedule()

该函数包含了一些:

针对抢占的处理
自旋锁(raw_spin_lock_irq(&rq->lock);)
检查prev的状态,并且重设state的状态
进程调度算法(next = pick_next_task(rq, prev);)
更新就绪队列的时钟
进程上下文切换(context_switch(rq, prev, next);)

static void __sched __schedule(void)
{
    struct task_struct *prev, *next;
    unsigned long *switch_count;
    struct rq *rq;
    int cpu;

...
//调度算法
    next = pick_next_task(rq, prev);
    clear_tsk_need_resched(prev);
    clear_preempt_need_resched();
    rq->skip_clock_update = 0;

    if (likely(prev != next)) {
        rq->nr_switches++;
        rq->curr = next;
        ++*switch_count;

//进程上下文切换
        context_switch(rq, prev, next);
        cpu = smp_processor_id();
        rq = cpu_rq(cpu);
    } else
        raw_spin_unlock_irq(&rq->lock);

    post_schedule(rq);

    sched_preempt_enable_no_resched();
    if (need_resched())
        goto need_resched;
}

---

• context_switch

在挑选得到了下一个即将被调度进来的进程之后，如果被选中的进程不是当前正在运行的进程，那么需要进行上下文切换以执行被选中的进程即context_switch.

context_switch中包含了:

①判断是否为内核线程,即是否需要上下文切换

如果next是一个普通进程，schedule( )函数用next的地址空间替换prev的地址空间
如果prev是内核线程或正在退出的进程，context_switch()函数就把指向prev内存描述符的指针保存到运行队列的prev_mm字段中，然后重新设置prev->active_mm

②切换堆栈和寄存器(switch_to(prev, next, prev);)

注意：宏switch_to用来进行关键上下文切换

static inline void
context_switch(struct rq *rq, struct task_struct *prev,
           struct task_struct *next)
{
    struct mm_struct *mm, *oldmm;

    prepare_task_switch(rq, prev, next);

    mm = next->mm;
    oldmm = prev->active_mm;

    arch_start_context_switch(prev);

    if (!mm) {
        next->active_mm = oldmm;
        atomic_inc(&oldmm->mm_count);
        enter_lazy_tlb(oldmm, next);
    } else
        switch_mm(oldmm, mm, next);

    if (!prev->mm) {
        prev->active_mm = NULL;
        rq->prev_mm = oldmm;
    }

    spin_release(&rq->lock.dep_map, 1, _THIS_IP_);

    context_tracking_task_switch(prev, next);
    /* Here we just switch the register state and the stack. */
    switch_to(prev, next, prev);

    barrier();

    finish_task_switch(this_rq(), prev);
}

---

• 宏switch_to

#define switch_to(prev, next, last)
do {

    unsigned long ebx, ecx, edx, esi, edi;

    asm volatile("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 */

             /* output parameters */
             : [prev_sp] "=m" (prev->thread.sp),
               [prev_ip] "=m" (prev->thread.ip),
               "=a" (last),

               /* clobbered output registers: */
               "=b" (ebx), "=c" (ecx), "=d" (edx),
               "=S" (esi), "=D" (edi)

               __switch_canary_oparam

               /* input parameters: */
             : [next_sp]  "m" (next->thread.sp),
               [next_ip]  "m" (next->thread.ip),

               /* regparm parameters for __switch_to(): */
               [prev]     "a" (prev),
               [next]     "d" (next)

               __switch_canary_iparam

             : /* reloaded segment registers */
            "memory");
} while (0)

分析：这个宏实现了进程之间的真正切换:

首先在当前进程prev的内核栈中保存esi,edi及ebp寄存器的内容。
然后将prev的内核堆栈指针ebp存入prev->thread.esp中。
把将要运行进程next的内核栈指针next->thread.esp置入esp寄存器中
将popl指令所在的地址保存在prev->thread.eip中，这个地址就是prev下一次被调度
通过jmp指令（而不是call指令）转入一个函数__switch_to()
恢复next上次被调离时推进堆栈的内容。从现在开始，next进程就成为当前进程而真正开始执行。

• __switch_to函数

在宏switch_to中,用jmp跳转到该函数运行。该函数主要进行一些针对TSS的操作。

__visible __notrace_funcgraph struct task_struct *
__switch_to(struct task_struct *prev_p, struct task_struct *next_p)
{
    struct thread_struct *prev = &prev_p->thread,
                 *next = &next_p->thread;
    int cpu = smp_processor_id();
    struct tss_struct *tss = &per_cpu(init_tss, cpu);
    fpu_switch_t fpu;

    fpu = switch_fpu_prepare(prev_p, next_p, cpu);

    load_sp0(tss, next);

    lazy_save_gs(prev->gs);

    load_TLS(next, cpu);

    if (get_kernel_rpl() && unlikely(prev->iopl != next->iopl))
        set_iopl_mask(next->iopl);

    task_thread_info(prev_p)->saved_preempt_count = this_cpu_read(__preempt_count);
    this_cpu_write(__preempt_count, task_thread_info(next_p)->saved_preempt_count);

    if (unlikely(task_thread_info(prev_p)->flags & _TIF_WORK_CTXSW_PREV ||
             task_thread_info(next_p)->flags & _TIF_WORK_CTXSW_NEXT))
        __switch_to_xtra(prev_p, next_p, tss);

    arch_end_context_switch(next_p);

    this_cpu_write(kernel_stack,
          (unsigned long)task_stack_page(next_p) +
          THREAD_SIZE - KERNEL_STACK_OFFSET);

    if (prev->gs | next->gs)
        lazy_load_gs(next->gs);

    switch_fpu_finish(next_p, fpu);

    this_cpu_write(current_task, next_p);

    return prev_p;
}

【第四部分】堆栈状态、CPU寄存器状态分析

1.内核堆栈情况:

 

【第五部分】总结

对“Linux系统一般执行过程”的理解

1.在调度时机方面，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。

2.schedule()函数实现进程调度，context_ switch完成进程上下文切换，switch_ to完成寄存器的切换。

3.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。

【第六部分】附录

作者：吴子怡

学号：20135313

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