20169217 《Linux内核原理与分析》 第十周作业

实验内容

    理解Linux系统中进程调度的时机，可以在内核代码中搜索schedule()函数，看都是哪里调用了schedule()，判断我们课程内容中的总结是否准确；

    使用gdb跟踪分析一个schedule()函数 ，验证您对Linux系统进程调度与进程切换过程的理解；

    特别关注并仔细分析switch_to中的汇编代码，理解进程上下文的切换机制，以及与中断上下文切换的关系；

 

Linux系统进程调度与进程切换过程

进程调度分为三种类型：

     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。

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

     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

 

switch to代码分析：

  asm volatile("pushfl\n\t"      /* 保存当前进程的flags */   
           "pushl %%ebp\n\t"        /*把当前进程的ebp压入当前进程的栈中 */ 
           "movl %%esp,%[prev_sp]\n\t"  /* 把当前进程ebp保存到当前进程prev->thread.sp中 */ 
           "movl %[next_sp],%%esp\n\t"  /* 把下一个进程的esp的值赋给esp寄存器 */ 
           "movl $1f,%[prev_ip]\n\t"    /* 把1：的代码在内存中存储的地址保存到prev->thread.ip中   */ 
           "pushl %[next_ip]\n\t"   /* 把下一个进程的eip压入堆栈   */    
           __switch_canary                   
           "jmp __switch_to\n"  /* regparm call  */ 
           "1:\t"                        
           "popl %%ebp\n\t"     /* restore EBP   */    
           "popfl\n"         /* restore flags */  

           /* output parameters */                
           : [prev_sp] "=m" (prev->thread.sp),     
             [prev_ip] "=m" (prev->thread.ip),        
             "=a" (last),                 

             /* clobbered output registers: */     
             "=b" (ebx), "=c" (ecx), "=d" (edx),      
             "=S" (esi), "=D" (edi)             

             __switch_canary_oparam                

             /* input paraeters: */                
           : [next_sp]  "m" (next->thread.sp),        
             [next_ip]  "m" (next->thread.ip),       

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

             __switch_canary_iparam                

           : /* reloaded segment registers */           
          "memory");                  
}

 

 使用gdb设置断点跟踪分析schedule：

 

总结：

一般情形： 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、中断——save cs:eip/esp/eflags(current) to kernel stack，and load cs:eip(entry of a specific ISR) and ss:esp(point to kernel stack)；
    3、SAVE_ALL //保存现场；
    4、中断处理或中断返回前调用 schedule，其中，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；
    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；

特殊情况：

    1、通过中断处理过程中的调度，用户态进程与内核进程之间互相切换，与一般情形类似；
    2、内核进程程主动调用 schedule 函数，只有进程上下文的切换，没有中断上下文切换；
    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；
    4、加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况，如：execve；

教材内容总结：

     第十五章：

     之前的章节介绍了内核管理物理内存，其实内核除了管理本身的内存外，还必须管理用户空间中进程的内存。

     内核使用内存描述符结构体表示进程的地址空间，内存描述符由mm_struct结构体表示。

     内核通过vm_area_struct表示该空间中的内存区域。

     并且通过mmap()和munmap()创建和撤销这些内存区域。

     最后讨论了页表的结构和功能。

     第十六章：

     讨论了Linux的页高速缓存和页回写。内核可以通过页缓存执行页I/O操作以及这些页告诉缓存可以利用减少磁盘I/O，从而极大地提升系统性能。

     通过称为“回写缓存”的进程维护在缓存中更新页面。