Linux 第八周实验 进程的切换和系统的一般执行过程
姬梦馨
原创作品
《Linux内核分析》MOOC课程:http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000
第八讲 进程的切换和系统的一般执行过程
学习笔记
一:进程的调度时机与进程的切换
1:进程调度时机
两种分类
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 | a: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 b:批处理进程(batch process) 不必与用户交互,通常在后台运行,不必很快响应。 典型的批处理程序:编译程序、科学计算 实时进程(real-time process):有实时需求,不应被低优先级的进程阻塞,响应时间要短、要稳定 典型的实时进程:视频/音频、机械控制等 交互式进程(interactive process):需要经常与用户交互,因此要花很多时间等待用户输入操作 响应时间要快,平均延迟要低于50~150ms 典型的交互式程序:shell、文本编辑程序、图形应用程序等 |
2:进程调度的时机
- schedule()函数负责调度。
- 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();比如sleep,就可能直接调用了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。
-
12
用户态被动调度
内核线程只有内核态没有用户态的特殊进程,无需系统调用。
3: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;即进程上下文切换!
- 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的信息
1 2 3 | 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
4:进程的调度
- Linux中进程优先级是动态的,周期性调整。
- Linux的进程根据优先级排队
- 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。
二:Linux系统的一般执行过程
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: 发生中断 ,完成以下步骤:
1 2 | save cs:eip/esp/eflags(current) to kernel stack load cs:eip(entry of a specific ISR) and ss:esp(point to kernel stack) |
2: SAVE_ALL //保存现场,这里是已经进入内核中断处里过程
3: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
没有发生中断上下文的切换,与最一般的情况略简略.
4: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)
5: restore_all //恢复现场
6: 继续运行用户态进程Y
进程间的特殊情况
1 2 3 4 5 6 | 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; 加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况,如execve;<br>0-3G内核态和用户态都可以访问,3G以上只能内核态访问。<br>内核是所有进程共享的。<br>内核是各种中断处理过程和内核线程的集合。 |
三、Linux系统架构和执行过程概览
1.Linux操作系统架构
操作系统分为:
1 2 3 4 | 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 函数库,shell程序,系统程序…… 最关键:CPU和内存 |
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
四:实验过程
1:在shell命令行中依次运行以下命令
2:打开gdb,并且分别设置断点
3:停在了断点1:schedule
4:停在了断点2:context_switch
5:按n单步执行,出现相同的地方。
6:qemu
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。
比如:进程优先级
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。
【推荐】编程新体验,更懂你的AI,立即体验豆包MarsCode编程助手
【推荐】凌霞软件回馈社区,博客园 & 1Panel & Halo 联合会员上线
【推荐】抖音旗下AI助手豆包,你的智能百科全书,全免费不限次数
【推荐】博客园社区专享云产品让利特惠,阿里云新客6.5折上折
【推荐】轻量又高性能的 SSH 工具 IShell:AI 加持,快人一步