《Linux内核分析》第八周学习总结

《Linux内核分析》第八周学习总结

                                     ——进程的切换和系统的一般执行过程

姓名：王玮怡  学号：20135116

一、理论部分总结

（一）进程切换的关键代码switch_to的分析

1、进程调度与进程调度的时机分析

（1）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，无论何种策略，都是从运行队列中选出一个进程作为next来执行，Linux内核中的调度算法相关代码使用了类似OOD中的策略模式。

（2）Linux的进程调度

• 既支持普通的分时进程，也支持实时进程
• Linux中的调度是多种调度策略和调度算法的混合
• Linux的调度基于分时和优先级

　　　——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中进程的优先级是动态的（调度进程会根据进程的行为周期性的调整进程的优先级）

　　　——较长时间未分配到CPU的进程，通常↑

　　　——已经在CPU上运行了较长时间的进程，通常↓

（3）进程调度的时机——schedule()函数实现调度

• 目的：在运行队列中找到一个进程，把CPU分配给它
• 调用方法：

　　——直接调用schedule()函数

　　——松散调用，根据need_resched标记

• 调用时机

　　——用户态进程通过中断处理过程（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()（用户态进程只能被动调用），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。

　　——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程调度，也就是说内核线程作为一类特殊d的进程可以主动调用也可以被动调用。

2、进程上下文切换相关代码分析

（1）进程上下文切换与中断保存现场的区别

　　进程上下文切换的是两个不同的进程，而保存和恢复现场是在同一个进程中的工作。

• 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）

（2）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。

（3）关键语句

• next = pick_next_task(rq, prev);//进程调度算法都封装这个函数内部，包装了其使用哪种进程调度策略
• context_switch(rq, prev, next);//进程上下文切换

　　　　prepare_task_switch(rq, prev, next);//提前准备

　　　　switch_to(prev, next, prev);//切换堆栈和寄存器状态

　　　　　　output：

　　　　　　[prev_sp] "=m" (prev->thread.sp), //当前进程，内核堆栈的栈顶

　　　　　　[prev_ip] "=m" (prev->thread.ip),//当前进程的eip

　　　　　　input：

　　　　　　[next_sp]  "m" (next->thread.sp),//下一个进程的内核堆栈的栈顶

　　　　　　[next_ip]  "m" (next->thread.ip),//下一个进程的执行起点

　　　　　　

　　　　　　其中，第44、45行完成了内核堆栈的切换，之后所有动作都在next内核堆栈中进行。

　　　　　　next_ip一般是$if，对于新创建的子进程是ret_from_fork。

　　　　　　jmp __switch_to通过寄存器传递参数。

（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,then load cs:eip(entry of a specific ISR) and ss:esp(point to kernel stack).
• 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

*关键：

• 中断和中断返回的过程中，有CPU上下文的切换
• 进程调度的过程中，有进程上下文的切换，是进程内核堆栈的切换

2、Linux系统执行过程中的几个特殊情况

• 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，不存在用户态到内核态的权限变化；
• 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（ret_from_fork）及返回用户态，如fork（next_ip=ret_from_fork）；
• 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、出租车。。。

• 32位x86系统下，每个进程大小为4G，0~3G用户态可以访问，3G以上只有内核态可以访问。
• 所有进程3G以上的地址空间是共享的，内核是各种中断处理过程和内核线程的集合，任何进程都可以陷入到内核态，然后返回到用户态
• 内核——出租车，进程——乘客

（三）Linux架构和执行过程概览

1、Linux操作系统架构概览

（1）操作系统

硬件资源最关键的是CPU和内存

（2）Linux操作系统的架构

2、执行ls命令——最简单也是最复杂的操作

系统调用本身也是一种特殊的中断，通过int 0x80进入内核态

COW（copy or write）写时复制

3、从CPU和内存的角度看Linux系统的执行

二、实验部分——理解进程调度时机跟踪分析进程调度与进程切换的过程

1、搭建环境

2、加载符号表并连接到端口1234

3、设置断点：schedule、context_switch、switch_to，其中switch_to 要明确位置

4、继续运行到断点1

5、继续运行到断点2

6、继续运行到断点3

此时，也可以看到switch_to 的位置。