Linux内核分析 笔记八 进程的切换和系统的一般执行过程 ——by王玥

一、进程切换的关键代码switch_to的分析

（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的调度需求

• 第一种分类：
  • I/O-bound：频繁地进行I/O,花费很多的时间等待I/O操作的完成
  • CPU-bound：计算密集型，需要大量的CPU时间进行计算

1. 第二种分类：
• 批处理进程
• 实时进程
• 交互式进程（shell）
2. 进程调度策略：是一组规则，决定何时以何种方式选择进程。

• Linux的调度基于分时和优先级策略：
  1. 进程根据优先级排队；
  2. 这个优先级的值表示如何适当分配CPU；
  3. 进程的优先级是动态的
  4. 调度程序会根据进程的运行周期动态调整优先级；
  5. 比如nice等系统调用，可以手动调整优先级
• 调度策略本质上是一种算法，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
• 内核中的调度算法相关代码使用了类似OOD中的策略模式

3.进程调度的时机

• 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。

（二）进程切换上下文的相关代码

1.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

1. 31#define switch_to(prev, next, last)                    \
2. 32do {                                 \
3. 33  /*                              \
4. 34   * Context-switching clobbers all registers, so we clobber  \
5. 35   * them explicitly, via unused output variables.     \
6. 36   * (EAX and EBP is not listed because EBP is saved/restored  \
7. 37   * explicitly for wchan access and EAX is the return value of   \
8. 38   * __switch_to())                     \
9. 39   */                                \
10. 40  unsigned long ebx, ecx, edx, esi, edi;                \
11. 41                                  \
12. 42  asm volatile("pushfl\n\t"      /* save    flags */   \
13. 43           "pushl %%ebp\n\t"        /* save    EBP   */ \
14. 44           "movl %%esp,%[prev_sp]\n\t"  /* save    ESP   */ \
15. 45           "movl %[next_sp],%%esp\n\t"  /* restore ESP   */ \
16. 46           "movl $1f,%[prev_ip]\n\t"    /* save    EIP   */ \
17. 47           "pushl %[next_ip]\n\t"   /* restore EIP   */    \
18. 48           __switch_canary                   \
19. 49           "jmp __switch_to\n"  /* regparm call  */ \
20. 50           "1:\t"                        \
21. 51           "popl %%ebp\n\t"     /* restore EBP   */    \
22. 52           "popfl\n"         /* restore flags */  \
23. 53                                  \
24. 54           /* output parameters */                \
25. 55           : [prev_sp] "=m" (prev->thread.sp),     \
26. 56             [prev_ip] "=m" (prev->thread.ip),        \
27. 57             "=a" (last),                 \
28. 58                                  \
29. 59             /* clobbered output registers: */     \
30. 60             "=b" (ebx), "=c" (ecx), "=d" (edx),      \
31. 61             "=S" (esi), "=D" (edi)             \
32. 62                                       \
33. 63             __switch_canary_oparam                \
34. 64                                  \
35. 65             /* input parameters: */                \
36. 66           : [next_sp]  "m" (next->thread.sp),        \
37. 67             [next_ip]  "m" (next->thread.ip),       \
38. 68                                       \
39. 69             /* regparm parameters for __switch_to(): */  \
40. 70             [prev]     "a" (prev),              \
41. 71             [next]     "d" (next)               \
42. 72                                  \
43. 73             __switch_canary_iparam                \
44. 74                                  \
45. 75           : /* reloaded segment registers */           \
46. 76          "memory");                  \
47. 77} while (0)

二、Linux系统的一般执行过程

（一）Linux系统的一般执行过程分析

1.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

• 中断上下文和进程上下文切换：前者是CPU内部的切换；后者是在内核中堆栈的切换

 

（三）几种特殊情况

 

1. 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，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；

2. 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；

3. 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

4. 加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况，如execve；4.地址切换

（四）内核与舞女

1. 进程的地址空间一共有4G，其中0——3G是用户态可以访问，3G以上只有内核态可以访问
2. 内核就是各种中断处理过程和内核线程的集合；
3. 内核相当于出租车，可以为每一个“招手”的进程提供内核态到用户态的转换；
4. 没有进程需要“承载”的时候，内核进入idle0号进程进行“空转”；
5. 3G以上的部分就是这样的“出租车”，是所有进程共享的，在内核态部分切换的时候就比较容易

三、LINUX 系统架构和执行过程概述

（一）Linux系统架构概览

（二）最简单也是最复杂的操作——ls

COW :COPY ON WRITE

（三）CPU和内存的角度看Linux系统的执行

1. 执行gets()函数；
2. 执行系统调用，陷入内核；
3. 等待输入，CPU会调度其他进程执行，同时wait一个I/O中断；
4. 敲击ls，发I/O中断给CPU，中断处理程序进行现场保存、压栈等等；
5. 中断处理程序发现X进程在等待这个I/O（此时X已经变成阻塞态），处理程序将X设置为WAKE_UP;
6. 进程管理可能会把进程X设置为next进程，这样gets系统调用获得数据，再返回用户态堆栈

• 从内存角度看，所有的物理地址都会被映射到3G以上的地址空间：因为这部分对所有进程来说都是共享的

四、实验

1、配置实验环境，确保menu内核可以正常启动

2.进入gdb调试，在shedule和context_switch处设置断点

4.c之后按n单步执行，直到遇到__schedule函数