Linux内核及分析 第八周 进程的切换和系统的一般执行过程

学习笔记：

一、进程调度与进程调度的时机分析

1.不同类型的进程有不同需求的调度需求：

第一种分类：

—I/O-bound：频繁的进行I/O，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：不必与用户交互，通常在后台运行；不必响应很快；

—实时进程：有实时需求，不被低优先级的进程阻塞；响应时间短，稳定；

—交互式进程：需要经常与用户交互；响应时间要快

2.调度策略：一组规则，决定什么时候以怎样的方式选择一个新的进程运行。

3.Linux进程根据优先级排序，用特定的算法计算出进程优先级，用一个值表示把进程如何适当地分配给CPU。优先级是动态的，根据进程的行为周期性调整，较长时间未分配到CPU的通常提高优先级；已经在CPU上运行较长时间的降低优先级。

4.Schedule函数用来实现调度，在队列中找到一个进程，把CPU分配给他。

—直接调用schedule

—松散调用，根据need-resched标记进程调度的时机

5.进程调度时机

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。

用户态进程只能被动调度；内核进程是只有内核态没有用户态的特殊进程，可以主动调度也可以被动调度。

二、进程上下文切换相关代码分析

1.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；

2.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；

3.进程上下文包含了进程执行需要的所有信息

4.用户地址空间：包括程序代码，数据，用户堆栈等

5.控制信息：进程描述符，内核堆栈等

6.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）

7.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

8.next-ip一般是$1f,对于新创建的子进程是ret-from-fork

三、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

实验过程：

1.进入虚拟机环境，启动内核，并进入调试状态

2.在schedule处设置断点，运行，用list展开函数

3.单步运行，直至_schedule()

4.在pick_next_task处设立断点，执行

5.在context_switch处设立断点，执行

总结：

进程的调度时机等还是有一般情况和具体情况的，我们要根据情况的不同具体的分析问题。

调度算法中最基本的一类就是基于优先级的调度——根据进程的价值和其对处理器时间的需求来对进程分级。

调度程序总是选择时间片未用尽而且优先级最高的进程运行。

作者： 王雪铖

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