理解进程调度时机跟踪分析进程调度与进程切换的过程
虞啸川 + 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
在linux中进程的调度依赖schedule()函数，下面我们通过gdb跟踪一下这个函数。
使用gdb跟踪分析一个schedule()函数
设置断点
schedule
schedule调用了__schedule
在__schedule中调用了pick_next_task选择一个新的进程来运行，然后调用context_switch进行上下文切换
context_switch
进程调度时机
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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()；
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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；
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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。
switch_to
#define switch_to(prev, next, last) \ 32do { \ 33 /* \ 34 * Context-switching clobbers all registers, so we clobber \ 35 * them explicitly, via unused output variables. \ 36 * (EAX and EBP is not listed because EBP is saved/restored \ 37 * explicitly for wchan access and EAX is the return value of \ 38 * __switch_to()) \ 39 */ \ 40 unsigned long ebx, ecx, edx, esi, edi; \ 41 \ 42 asm volatile("pushfl\n\t" /* save flags */ \ 43 "pushl %%ebp\n\t" /* save EBP */ \ 44 "movl %%esp,%[prev_sp]\n\t" /* save ESP */ \ 45 "movl %[next_sp],%%esp\n\t" /* restore ESP */ \ 46 "movl $1f,%[prev_ip]\n\t" /* save EIP */ \ 47 "pushl %[next_ip]\n\t" /* restore EIP */ \ 48 __switch_canary \ 49 "jmp __switch_to\n" /* regparm call */ \ 50 "1:\t" \ 51 "popl %%ebp\n\t" /* restore EBP */ \ 52 "popfl\n" /* restore flags */ \ 53 \ 54 /* output parameters */ \ 55 : [prev_sp] "=m" (prev->thread.sp), \ 56 [prev_ip] "=m" (prev->thread.ip), \ 57 "=a" (last), \ 58 \ 59 /* clobbered output registers: */ \ 60 "=b" (ebx), "=c" (ecx), "=d" (edx), \ 61 "=S" (esi), "=D" (edi) \ 62 \ 63 __switch_canary_oparam \ 64 \ 65 /* input parameters: */ \ 66 : [next_sp] "m" (next->thread.sp), \ 67 [next_ip] "m" (next->thread.ip), \ 68 \ 69 /* regparm parameters for __switch_to(): */ \ 70 [prev] "a" (prev), \ 71 [next] "d" (next) \ 72 \ 73 __switch_canary_iparam \ 74 \ 75 : /* reloaded segment registers */ \ 76 "memory"); \ 77} while (0)
在context_switch中调用了switch_to(prev, next, prev);完成了上下文保存和切换的工作，prev和next分别指向当前进程和下一个要切换的进程。
42 43当前进程的flags和ebp压栈；44当前esp保存至内存；45 存入下一个进程的esp，至此已切换至下一个进程的堆栈；46 47把当前进程的$1f标号保存至当前ip，并将下一进程的ip压栈；48 49执行完该函数iret将下一进程的ip出栈，至此切换至下一个进程；最后将ebp和flags出栈，正式执行下一进程
switch_to对应的堆栈
asm volatile("pushfl\n\t" /* save flags */ \ 43 "pushl %%ebp\n\t" /* save EBP */ \ 44 "movl %%esp,%[prev_sp]\n\t" /* save ESP */ \ 45 "movl %[next_sp],%%esp\n\t" /* restore ESP */ \ 46 "movl $1f,%[prev_ip]\n\t" /* save EIP */ \ 47 "pushl %[next_ip]\n\t" /* restore EIP */ \
"movl %[next_sp],%%esp\n\t" /* restore ESP */
"movl $1f,%[prev_ip]\n\t" /* save EIP */这两句将堆栈的sp作了保存和切换
然后将下一个进程的ip压栈
48 __switch_canary \ 49 "jmp __switch_to\n" /* regparm call */ \ 50 "1:\t" \ 51 "popl %%ebp\n\t" /* restore EBP */ \ 52 "popfl\n" /* restore flags */ \
next_stack变成了prev_stack，next_ip出栈，切换至下一个进程，然后pop ebp popfl开始执行下一个进程的代码
$1f是同一个地址，然而却有着不同的上下文环境。
总结
一、当x用户态进程通过进程调度策略切换到用户态进程y时，
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
1.正在运行的用户态进程X
2.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).
3.SAVE_ALL //保存现场
4.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
5.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)
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
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.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；
4.加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况，如execve；
二、有关进程切换
1.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；
2.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；
3.进程上下文包含了进程执行需要的所有信息
（1）用户地址空间： 包括程序代码，数据，用户堆栈等
（2）控制信息 ：进程描述符，内核堆栈等
（3）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）
4.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）next = pick_next_task(rq, prev);//进程调度算法都封装这个函数内部
（2）context_switch(rq, prev, next);//进程上下文切换
（3）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
内核是各种中断处理过程和内核线程的集合，3g以上部分是所有进程共享的
