Linux内核分析作业 NO.8 完结撒花~~~

进程的切换和系统的一般执行过程

于佳心  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

试验：理解进程调度时机跟踪分析进程调度与进程切换的过程

按照老规矩进入qemu

启动gdb之后完成一系列设置，最后设置一个断点schedule，然后开始漫长的跟踪之路

运行到schedule停下了

进程切换的关键代码switch_to分析

进程的调度时机与进程的切换

不同类型的进程有不同的调度需求

第一种分类：

I/0-bound：频繁的进程I/0，通常会花费很多时间等待I/O操作的完成

CPU-bound：计算密集型，需要大量的CPU时间进行运算

第二种分类：批处理进程，实时进程，交互性进程（shell）

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。

对于理解操作系统的工作机制，反而是进程的调度时机与进程的切换机制更为关键。

Linux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

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的调度基于分时和优先级，随着版本的变化，分时技术不断变化

Linux进程根据优先级排队

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

调度程序会根据进程的行为周期性调整进程的优先级：

较长时间未分配到CPU的进程，通常优先级高

已经在CPU上运行了较长时间的进程，通常优先级低

进程调度的时机

内核中的调度算法相关代码使用了类似OOD中的策略模式，将调度算法与其他算法耦合了

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

方法：直接调用，松散调用（根据need_resched标记）

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；（内核线程是只有内核态没有用户态的特殊进程）

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。

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

next_ip一般是$1f，对于新建的子进程是ret_from_fork

#define switch_to(prev, next, last)                    \do {                                 \
  /*                              \
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   */                                \
  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 ()

 

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

• 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

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；（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；

Linux操作系统和系统执行过程概览

操作系统的基本概念

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，进程问题通讯机制，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

最简单也是最复杂的操作——执行ls命令

站在CPU执行指令的角度

从内存的角度来看

没想到孟宁老师那么污！！！好感度UPUP~

完结撒花~~~~~~~~