《Linux内核分析》课程第八周学习总结
姓名：何伟钦
学号：20135223
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（ 学习课程：《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-100002900
一、进程调度与进程切换
（一）不同的进程有不同的调度需求
第一种分类：
I/O密集型（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密集型（CPU-bound）
计算密集型
需要大量的CPU时间进行运算
第二种分类：
批处理进程
不必与用户交互，通常在后台运行
不必很快响应
典型：编译程序，科学计算
实时进程
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：视频、音配、机械控制
交互式进程
需要经常与用户交互，所以要花很多时间等待用户输入操作
响应时间要快，平均延迟低于50~150ms
典型：shell，文本编辑程序，图形应用程序
（二）不同的进程要采取不同的进程调度策略
调度策略：是一组规则，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
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进程中的优先级是动态的
调度程序会根据进程的行为周期性地调整进程的优先级
例如：
-
-
-
较长时间为被分配到cpu，通常会被调高
-
已经在cpu上运行了较长时间，通常会被调低
-
-
常见的一些函数：
nice
getpriority/setpriority //设置优先级
sched_getschedduler/sched_setscheduler
sched_getparam/sched_setparam
sched_yield
sched_get_priority_min/sched_get_priority_max
sched_rr_get_interval内核中的调度算法相关代码使用了类似OOD中的策略模式,调度算法与其他部分解耦合。
（三）进程的调度时机
（1）schedule函数实现调度
- 目的：在运行队列中找到一个进程，把cpu分配给它
- 方法：
- 直接调用schedule()
- 松散调用，根据need_resched标记
（2）进程调度的时机
1.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()；(主动调度)
2.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，也就是说内核线程既可以主动调度，也可以被动调度；
3.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。
注意：用户态进程只能被动调度。内核线程是只有内核态没有用户态的特殊进程
（四）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，但是是同一个进程，而进程上下文的切换是两个进程在切换。
-
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
switch_to切换堆栈和寄存器的状态，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：
31 #define switch_to(prev, next, last)
32 do {
40 unsigned long ebx, ecx, edx, esi, edi;
41
42 asm volatile("pushfl\n\t" /* 保存当前进程的标志位 */
43 "pushl %%ebp\n\t" /* 保存当前进程的堆栈基址EBP */
44 "movl %%esp,%[prev_sp]\n\t" /* 保存当前栈顶ESP */
45 "movl %[next_sp],%%esp\n\t" /* 把下一个进程的栈顶放到esp寄存器中，完成了内核堆栈的切换，从此往下压栈都是在next进程的内核堆栈中。 */
46 "movl $1f,%[prev_ip]\n\t" /* 保存当前进程的EIP */
47 "pushl %[next_ip]\n\t" /* 把下一个进程的起点EIP压入堆栈 */
48 __switch_canary
49 "jmp __switch_to\n" /* 因为是函数所以是jmp，通过寄存器传递参数，寄存器是prev-a，next-d，当函数执行结束ret时因为没有压栈当前eip，所以需要使用之前压栈的eip，就是pop出next_ip。 */50 "1:\t" /* 认为next进程开始执行。 */
51 "popl %%ebp\n\t" /* restore EBP */
52 "popfl\n" /* restore flags */
53
54 /* output parameters 因为处于中断上下文，在内核中
prev_sp是内核堆栈栈顶
prev_ip是当前进程的eip */
55 : [prev_sp] "=m" (prev->thread.sp),
56 [prev_ip] "=m" (prev->thread.ip), //[prev_ip]是标号
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:
next_sp下一个进程的内核堆栈的栈顶
next_ip下一个进程执行的起点，一般是$1f，对于新创建的子进程是ret_from_fork*/
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)
二、Linux系统的一般执行过程
(一)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——(时钟中断，系统调用，异常，I/O中断)
save cs:eip/esp/eflags(current) to kernel stack //压入内核堆栈 load cs:eip(entry of a specific ISR) and ss:esp(point to kernel stack)//把当前进程的内核堆栈的信息保存，和当前中断例程的起点加载
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 //从内核堆栈中弹出y的相关信息
8.继续运行用户态进程Y
※ 关键点：
-
中断上下文的切换
-
进程上下文的切换(进程调度过程中从一个进程切换到另一个进程)
（二）Linux系统执行过程中的几种特殊情况
-
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；（没有权限的变化）
-
内核线程可以主动调用schedule()（用户态进程不能主动调度），只有进程上下文的切换，没有发生中断上下文的切换，即没有中断，与最一般的情况相比更简单；
-
创建子进程的系统调用在子进程中的执行起点（如fork在子进程中的执行起点是ret_from_fork）返回用户态；
-
加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况（如execve内部修改了中断上下文，不是iret返回的那个默认中断保存信息）；
0-3G内核态和用户态都可以访问，3G以上仅仅是内核态访问。
3G以上部分内核是所有进程共享的。（内核就相当于出租车，进程就相当于客人）
三、Linux系统架构和执行过程概览
（一）Linux操作系统架构概览
操作系统分为：
1.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）2.其他程序
（函数库，shell程序，系统程序）3.最关键的是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
典型的Linux操作系统的结构
ls命令：最简单与最复杂的操作
从CPU和内存的角度来看Linux系统的执行
从在CPU执行指令的角度看：
说明：
在main函数中的gets，从控制台获得字符串
需要gets是一个系统调用，陷入内核态，从用户态的堆栈进入到内核堆栈，esp等压栈；
从内存的角度来看：（512m内存的虚拟地址空间的映射：）
整个物理内存会映射到3G以上的部分（进程共享）
实践作业：
使用gdb跟踪分析一个schedule()函数
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
在schedule处设置断点，点击c运行
list查看断点所在代码段
单步执行，直到遇到__schedule函数
进程调度函数schedule()分析
一．主要功能：
实现进程的调度，从运行队列的链表中找到一个进程，然后进行分配。可以由几个内核控制路径调用。
二．调用方式：
1.当前进程不能获得必要资源而被阻塞，可以直接调用schedule()。将current进程插入适当的等待队列，把状态改为TASK_INTERRUPTABLE或TASK_UNINTERRUPTABLE，然后调用schedule()。一旦资源可用，就从等待队列删除current进程。
2.把current进程的TIF_NEED_RESCHED标志设置为1，由于会在恢复前检查这个标志的值，所以schedule()将在之后某个时间被明确调用，以延迟方式调用调度程序。
switch_to()函数分析：
在 arch/x86/include/asm/switch_to.h中
switch_to 中做的事情依次是:
1. 将 flags 压栈
2. 将 prev 的%ebp 压栈
3. 将 prev 的%esp 保存到 prev->thread.sp
4. 置%esp 的值为 next->thread.sp, 这样内核栈就切到了 next 的内核栈, 以后的操作都是在 next 的内核栈上做的.
5. 将语句 1: 处的地址保存到 prev->thread.ip
6. 将 next->thread.ip 压栈(注意这里已经是在 next 的栈上操作)
7. 调用 __switch_canary 对 next 的栈做检查
8. 跳转到 __switch_to() 执行. 这里的 trick 是使用 jmp 而不是 call, 避免机器把当前%eip 压栈
9. 在 __switch_to() 执行到 ret 时, 从把栈顶值弹出到%eip 中, 这就完成了内核控制路径的切换.
10. 栈 pop, 弹出值作为%ebp. 这里栈中的值不是这次 switch_to 中保存的, 而是上一次 B 作为 switch_to 的 prev 时保存的.
11. 从栈中恢复 flags.
（switch_to() 的最后一条语句是 return prev_p;
若 next 进程之前没进过 switch_to, 栈上%eip 的位置会是 ret_from_fork().
【参考资料】
1.博客http://blog.chinaunix.net/uid-26832441-id-4950186.html
2.Linux内核分析http://mooc.study.163.com/learn/USTC-1000029000?tid=2001214000#/learn/hw?id=2001372016
