韩玉琪 + 原创作品转载请注明出处 + 《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

一、进程切换的关键代码

  • 操作系统原理中介绍了大量进程调度算法，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。
  • 对于理解操作系统的工作机制，反而是进程的调度时机与进程的切换机制更为关键。

1. 进程的调度时机

不同类型的进程有不同的调度需求

（1）第一种分类：

  • 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

（2）第二种分类

  • 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. Linux中的进程调度

  • Linux既支持普通的分时进程，也支持实时进程
  • Linux中的调度是多种调度策略和调度算法的混合。

调度策略：一组规则，它们决定什么时候以怎样的方式选择一个新进程运行。

  • Linux的调度基于分时和优先级：随着版本的变化，分时技术在不断变化

  • Linux的进程根据优先级排队

    • 根据特定的算法计算出进程的优先级，用一个值表示
    • 这个值表示把进程如何适当的分配给CPU

  • Linux中进程的优先级是动态的

    • 调度程序会根据进程的行为周期性的调整进程的优先级

        较长时间未分配到CPU的进程，通常↑
  已经在CPU上运行了较长时间的进程，通常↓

  • 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。

      OOD：面向对象设计

3. schedule函数实现调度

（1）进程调度的时机（important）

  • 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。

- 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。

（2）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（中断也要保存硬件上下文只是保存的方法不同）

4. 进程上下文切换代码分析

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。

（1）schedule()函数

  • 切换时候，调用call schedule()；来执行schedule（）函数
  • 使用struct task_struct *tsk = current; 来获取当前进程；sched_ submit _work(tsk); 避免死锁；最后调用 ＿schedule()来处理切换过程
  • next = pick_ next _task(rq, prev);，＿ schedule()中用来确定使用哪一种进程调度的策略。但总是选择了下一个进程来进行切换，即根据调度策略选择一个优先级最高的任务将其定为下一个进程，最后都是调用context _switch来进行进程上下文的切换过程。

（2）context_switch

  • context_switch(rq, prev, next);
  • 进程上下文切换
  • 其中prepare_ task _ switch（）函数是完成切换前的准备工作；接着后面判断当前进程是不是内核线程，如果是内核线程，则不需要切换上下文。
  • 接着调用switch_mm(),把虚拟内存从一个进程映射切换到新进程中
  • 调用switch_to(),从上一个进程的处理器状态切换到新进程的处理器状态。这包括保存、恢复栈信息和寄存器信息。

（3）switch_to

  • 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是一个宏定义，切换堆栈和寄存器的状态，完成的工作主要是：
保存当前进程的flags状态和当前进程的ebp
“pushfl\n\t” /* save flags */ 
“pushl %%ebp\n\t” /* save EBP */
完成内核堆在esp的切换
“movl %%esp,%[prev_sp]\n\t” /* save ESP */ 
“movl %[next_sp],%%esp\n\t” /* restore ESP */
进程切换的时候，要修改堆栈，eip等数据．在switch_to中完成了这个工作。
保存eip的值
		“movl $1f,%[prev_ip]\n\t” /* save EIP */
		“pushl %[next_ip]\n\t” /* restore EIP */
  • 将标号1:的地址保存到prev->thread.ip中，然后下一次该进程被调用的时候，就从１的位置开始执行。
  • 注明：如果之前next也被switch to出去过，那么next->thread.ip里存的就是下面这个1f的标号，但如果next进程刚刚被创建，之前没有被switch _ to出去过，那么next->thread.ip里存的将是ret ftom _ fork，即进程刚刚被fork后执行exec。
jmp _ _ switch_to

　　让参数不压入堆栈，而是使用寄存器传值，来调用 _ _ switch _to eax存放prev,edx存放next。

二、Linux系统的一般执行过程

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

  • 在运行的用户态进程X 发生中断，硬件完成以下：

      save cs:eip/esp/eflags(current) to kernel stack
  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

2. 进程间的几种特殊情况

  • 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。

      2个内核线程之间切换，cs段没有发生变化
  用户进程和内核线程间切换

  • 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。

    没有发生中断，也就是没有int指令和iret指令

  • 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。

      pre :parent
  next: child
  so next_ip =ret_from_fork ,不是从switch_to中的标号1

  • 加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况，如execve；

      pre：parent
  next:execve产生的进程（execve也是系统调用）

  • 所有进程的3G以上的部分（内核态）都是共享的

      内核是各种中断处理过程和内核线程的集合

三、Linux操作系统架构和系统执行过程概览

1. 操作系统基本概念

  • 任何计算机系统都包含一个基本的程序集合，称为操作系统。
    • 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（例如函数库、shell程序、系统程序 等等）
  • 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

2. Linux系统架构

  • 硬件管理
  • 内核实现
  • 系统调用
  • 基础软件（shell、lib）
  • 用户程序

3. 最简单也是最复杂的操作ls

4. 站在CPU和内存角度看Linux系统的执行

三、使用gdb跟踪分析schedule()函数

  • gdb开始调试，设置监视、加载文件符号表调试并设置断点

  • 由于switch是一个宏，设断点的时候要在这个函数文件的行中加断点

  • 设置断点后运行

  • 赋值过程：将当前的任务信息拷贝到任务结构体中

  • 使rq指向CPU对应的运行队列、标识当前cpu发生任务切换

  • 检查prev的状态。如果不是可运行状态，而且没有在内核态被抢占，就应该从运行队列中删除prev进程。但是，如果它是非阻塞挂起信号，而且状态为TASK _INTERRUPTIBLE，函数就把该进程的状态设置为TASK _RUNNING，并将它插入到运行队列。这个操作与把处理器分配给prev是不同的，它只是给prev一次选中执行的机会。

  • 通知调度器类当前运行的进程将要被另一个进程代替，调度选择进程。如果已经选择了一个新进程，那么必须准备并执行硬件级的进程切换

总结：进程的切换

  1. 进程的切换中的关键操作是：切换地址空间、切换内核堆栈、切换内核控制流程和一些必要的寄存器保存和恢复。这些操作并非针对用户代码，切换完成后，也没有立即跑到next的用户空间中执行。用户上下文的保存和恢复是通过中断和异常机制，在内核态和用户态相互切换时才发生的。
  2. 在调度时机方面，内核线程可以直接调用schedule()进行进程切换（主动），也可以在中断处理过程中进行调度（被动）。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。
  3. 内核的使用：32位x86系统下，每个进程的地址空间有4G，用户态0-3G，3G以上仅内核态可以访问。所有进程3G以上是共享的，在内核中代码段，堆栈段都是相同的，回到用户态才不同（taxi）。进程进入内核就都一样，没有进程陷入内核就执行0号进程。内核可以看作各种中断处理过程和内核线程的集合。