《Linux内核》第七周 进程的切换和系统的一般执行过程 20135311傅冬菁

进程的切换和系统的一般执行过程

一、内容总结与分析

进程调度与进程调度时机

进程调度需求的分类：

第一种分类方式：

I/O -bound（频繁进行I/O，通常会花很多时间等待I/O操作）

CPU-bound（计算密集型、需要花大量CPU时间进行运算）

第二种分类方式：

批处理进程（后台进行，典型：编译程序、科学计算）

实时进程（有实时需求响应时间短、稳，典型：视频、音频、机械控制）

交互式进程（与用户交互多，响应时间要快，典型：shell、文本编辑程序、图形应用程序）

Linux调度基于分时和优先级（根据优先级排队，是动态的）

进程调度策略：（一组规则，决定什么时候以怎样的方式选择一个新进程运行）

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

进程调度的时机：

1.中断处理过程中，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被调度

2.内核线程（只有内核态，没有用户态）可以直接调用schedule（）进行进程切换，也可以在中断处理过程进行调度，也就是内核线程作为一类特殊进程可以主动调用，也可以被动调度

3.用户态进程无法实现主动调度，仅能通过陷入内核态后某个时机点进程调度。即在中断处理过程中进行调度。

进程上下文切换

进程的切换（内核必须有能力挂起正在CPU上执行的进程）

挂起正在CPU上执行的进程，与中断时保存现场是不一样的，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

进程上下文包含了执行所需要的所有信息：

用户地址空间：包括程序代码、数据、用户堆栈

控制信息：进程描述符，内核堆栈

硬件上下文

schedule（）函数选择一个新的进程来运行，并调用content_switch进行上下文的切换，这个宏调用switch_to 函数

next = pick_next_task(rq,prev);

　　

• 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

代码分析！

 　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"      /* save    flags */   \
　　43           "pushl %%ebp\n\t"        /* save    EBP   */ \
　　44           "movl %%esp,%[prev_sp]\n\t"  /* save    ESP   */ \esp保存在当前的栈顶
　　45           "movl %[next_sp],%%esp\n\t"  /* restore ESP   */ \完成当前进程内核堆栈的切换
　　46           "movl $1f,%[prev_ip]\n\t"    /* save    EIP   */ \保存当前进程的EIP
　　47           "pushl %[next_ip]\n\t"   /* restore EIP   */    \把下一个进程起点的位置压栈
　　48           __switch_canary                   \
　　49           "jmp __switch_to\n"  /* regparm call  */ \用寄存器传递参数
　　50           "1:\t"                        \
　　51           "popl %%ebp\n\t"     /* restore EBP   */    \
　　52           "popfl\n"         /* restore flags */  \
　　53                                  \
　　54           /* output parameters */                \
　　55           : [prev_sp] "=m" (prev->thread.sp),     \sp是内核堆栈的栈顶，thread.sp是当前进程的eip
　　56             [prev_ip] "=m" (prev->thread.ip),        \把当前进程的堆栈基址压栈
　　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),        \next_sp 下一个内核堆栈的栈顶，next->thread.sp 下一个进程开始的起点
　　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");                  \

　　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

 

Linux执行过程中几种特殊情况

 

• 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；

任何计算机系统都包含一个基本的程序集合，成为操作系统。

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（shell程序、系统程序）

操作系统的目的

1. 与硬件交互，管理所有的硬件资源
2. 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

在控制台输入ls命令->shell程序分析输入参数，确定这是ls命令->调用系统调用fork生成一个shell本身的拷贝->调用exec系统调用将ls的可执行文件

二、实验过程（GDB跟踪调试进程调度）

实验分析：

schedule()选择一个新的进程来运行，并调用context_switch进行上下文的切换，context_switch调用switch_to宏来进行关键上下文的切换。

next=pick_next_task(rq,prev);//进程调度算法被封装在内

context_switch(rq,prev,next);//进程上下文的切换

jmp 函数名//使用寄存器来传递参数，而不是压栈

switch_to利用了prev和next两个参数：prev指向当前进程，next指向被调度进程。、