2019-2020-1 20199312 《Linux内核原理与分析》 第九周作业

进程调度

1、中断：起到切出进程指令流的作用。中断处理程序是与进程无关的内核指令流。中断类型：

• 硬中断：可屏蔽中断和不可屏蔽中断。高电平说明有中断请求。
• 软中断/异常：
  • 故障：出问题，但可以恢复到当前指令，如除零错误。
  • 退出：不可恢复的严重故障，只能退出。如连续发生故障。
  • 陷阱（Trap）：程序主动产生的异常。

2、Linux内核通过schedule函数实现进程调度，调用schedule函数的时候就是进程调度的时机。进程调度时机如下：

• 用户进程通过特定的系统调用主动让出CPU；
• 中断处理程序在内核返回用户态是进行调度；
• 内核线程主动调用schedule函数让出CPU；
• 中断处理程序主动调用schedule函数让出CPU。

调度策略与算法

1、 基本调度策略

• 实时进程的调度策略(优先级0~99，静态设定)
  • SCHED_FIFO 先进先出
  • SCHED_RR 轮转策略（时间片）
    
    -普通进程的调度类 —— SCHED_NORMAL,只有nice值，映射到优先级为100~139。按优先级占比计算占用CPU的时间。

2、 CFS调度算法

• 调度周期:进程越多，周期越长；上限默认8ms；一个时间周期内队列的所有进程都会至少被调度一次。
  
  __sched_period = nr_running(进程数)*sysctl_sched_min_granularity（默认值）
• 理论运行时间：每次可获取CPU后最长可占用时间为ideal_runtime.
  
  ideal_runtime = __sched_period * 进程权重/队列运行总权重
• 虚拟运行时间:每个进程拥有一个vruntime，每次需要调度时就运行队列中拥有最小的vruntime的进程来运行，最长运行时间为ideal_runtime.
  
  vruntime = 实际运行时间 * NICE_0_LOAD / 进程权重
  
  = 实际运行时间 * 1024 / 进程权重
  
  NICE_0_LOAD = 1024, 表示nice值为0的进程权重
• 时钟中断周期：1/CONFIG_HZ秒
• Linux传统优先级与权重的转化关系是经验值。
• Linux采用红黑树来存储就绪进程指针，插入时根据vruntime排序，调度时选择最左边的即可。

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

Linux操作系统架构

实验楼实验八

运行

cd LinuxKernel
rm menu -rf
git clone https://github.com/mengning/menu.git
cd menu
ls
make rootfs

启动并调试

cd..
qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -S -s

gdb
file linux-3.18.6/vmlinux
target remote:1234
b schedule
b context_switch
b __switch_to
b pick_next_task

依次调试各个断点截图如下

关键代码分析

context_switch关键代码部分

static inline void context_switch(struct rq *rq, struct task_struct *prev, struct task_struct *next)
{
    ...
    arch_start_context_switch(prev);

    if (unlikely(!mm)) {    //如果被切换进来的进程的mm为空切换，内核线程mm为空
        next->active_mm = oldmm;  //将共享切换出去的进程的active_mm
        atomic_inc(&oldmm->mm_count);  //有一个进程共享，所有引用计数加一
        enter_lazy_tlb(oldmm, next);  //将per cpu变量cpu_tlbstate状态设为LAZY
    } else   //普通mm不为空，则调用switch_mm切换地址空间
        switch_mm(oldmm, mm, next);
...
    //这里切换寄存器状态和栈
    switch_to(prev, next, prev);

switch_to关键代码部分

#define switch_to(prev, next, last)
do {
    /*
     * Context-switching clobbers all registers, so we clobber
     * them explicitly, via unused output variables.
     * (EAX and EBP is not listed because EBP is saved/restored
     * explicitly for wchan access and EAX is the return value of
     * __switch_to())
     */
    unsigned long ebx, ecx, edx, esi, edi;

    asm volatile(
             "pushfl\n\t"  //保存当前进程flags
             "pushl %%ebp\n\t"  //当前进程堆栈基址压栈
             "movl %%esp,%[prev_sp]\n\t"  //保存ESP，将当前堆栈栈顶保存起来
             "movl %[next_sp],%%esp\n\t"  //更新ESP，将下一栈顶保存到ESP中
                     // 完成内核堆栈的切换
             "movl $1f,%[prev_ip]\n\t"    //保存当前进程的EIP
             "pushl %[next_ip]\n\t"       //将next进程起点压入堆栈，即next进程的栈顶为起点
             __switch_canary              //next_ip一般为$1f，对于新创建的子进程是ret_from_fork
             "jmp __switch_to\n"    //prve进程中，设置next进程堆栈，jmp与call不同，是通过寄存器传递参数（call通过堆栈），所以ret时弹出的是之前压入栈顶的next进程起点
             //完成EIP的切换
             "1:\t"            //next进程开始执行
             "popl %%ebp\n\t"  //restore EBP
             "popfl\n"         //restore flags

             //输出量
             : [prev_sp] "=m" (prev->thread.sp),   //保存当前进程的esp
               [prev_ip] "=m" (prev->thread.ip),     //保存当前进仓的eip
               "=a" (last),

               //要破坏的寄存器
               "=b" (ebx), "=c" (ecx), "=d" (edx),
               "=S" (esi), "=D" (edi)

               __switch_canary_oparam

              //输入量
             : [next_sp]  "m" (next->thread.sp),   //next进程的内核堆栈栈顶地址，即esp
               [next_ip]  "m" (next->thread.ip),     //next进程的eip

               // regparm parameters for __switch_to():
               [prev]     "a" (prev),
               [next]     "d" (next)

               __switch_canary_iparam

             : //重新加载段寄存器
            "memory");
} while (0)