Linux内核分析——进程的切换和系统的一般执行过程

　　　　　　　　　　　　进程的切换和系统的一般执行过程

一、进程切换的关键代码switch_to分析

（一）进程调度与进程调度的时机分析

　　1、不同类型的进程有不同的调度需求

　　第一种分类：

　　　　（1）I/O-bound：频繁进行I/O,花费很多时间等待I/O操作的完成。

　　　　（2）CPU-bound：计算密集型，需要大量CPU时间进行计算。

　　第二种分类：

　　　　（1）批处理进程：不必交互、很快响应。

　　　　（2）实时进程：要求响应时间短。

　　　　（3）交互式进程（shell）。

　　2、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。

　　3、linux进程调度是基于分时和优先级的。

　　4、Linux的进程根据优先级排队。

　　5、Linux中进程的优先级是动态的。

　　6、内核中的调度算法相关代码使用了类似OOD中的策略模式。

　　7、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()；

　　　　（2）内核线程（只有内核态没有用户态的特殊进程）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；

　　　　（3）用户态进程无法实现主动调度，只能被动调度，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。

（二）进程上下文切换相关代码分析

　　1、进程的切换

　　　　（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）

　　2、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

　　3、schedule()中：

 　　

　　

　　4、context_switch中：

 　　

　　5、switch_to中：

31#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 */          //保存当前进程的flags

43           "pushl %%ebp\n\t"        /* save    EBP   */       //把当前进程的堆栈基址压栈

44           "movl %%esp,%[prev_sp]\n\t"  /* save    ESP   */   //把当前的栈顶保存到prev->thread.sp

45           "movl %[next_sp],%%esp\n\t"  /* restore ESP   */   //把下一个进程的栈顶保存到esp中，这两句完成了内核堆栈的切换

46           "movl $1f,%[prev_ip]\n\t"    /* save    EIP   */   //保存当前进程的EIP，可以从这恢复

47           "pushl %[next_ip]\n\t"   /* restore EIP   */       //把下一个进程的起点位置压到堆栈，就是next进程的栈顶。next_ip一般是$1f，对于新创建的子进程是ret_from_fork

             //一般用return直接把next_ip pop出来

48           __switch_canary                  

49           "jmp __switch_to\n"  /* regparm call  */  //jmp通过寄存器传递参数，即后面的a,d。 函数__switch_to也有return把next_ip pop出来    

50           "1:\t"              //认为从这开始执行next进程（EIP角度），第一条指令是next_ip这个起点，但前面已经完成内核堆栈的切换，早就是next进程的内核堆栈（算prev进程，比较模糊）         

51           "popl %%ebp\n\t"     /* restore EBP   */  //next进程曾经是prev进程，压栈过ebp 

52           "popfl\n"         /* restore flags */ 

53                                 

54           /* output parameters */               

55           : [prev_sp] "=m" (prev->thread.sp),     //当前进程的，在中断内部，在内核态，sp是内核堆栈的栈顶

56             [prev_ip] "=m" (prev->thread.ip),     //当前进程的EIP 

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),    //下一个进程的内核堆栈的栈顶    

67             [next_ip]  "m" (next->thread.ip),    //下一个进程的执行起点

68                                      

69             /* regparm parameters for __switch_to(): */ 

70             [prev]     "a" (prev),               //寄存器的传递

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）Linux系统的一般执行过程分析

　　1、Linux系统的一般执行过程

　　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

（二）Linux系统执行过程中的几个特殊情况

　　1、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；

三、Linux系统架构和执行过程概览

（一）Linux操作系统架构概览

 　　

　　

（二）最简单也是最复杂的操作--执行ls命令

 　　

（三）从CPU和内存的角度看Linux系统的执行

　　1、CPU执行指令的角度：

 　　

　　2、内存的角度：

 　　

四、实验

　　1、环境搭建

　　　　cd LinuxKernel  

　　　　rm menu -rf

　　　　git clone https://github.com/mengning/menu.git

　　　　cd menu

　　　　mv test_exec.c test.c

　　　　make rootfs

 　　

　　

　　2、gdb调试

　　　　Qemu –kernel ../linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd  ../rootfs.img -s -S

　　　　gdb

　　　　file ../linux-3.18.6/vmlinux

　　　　target remote:1234

　　3、设置断点

　　　　b schedule

　　　　b pick_next_task

　　　　b context_switch

　　　　b switch_to

 　　

 　　

 　　

 　　

五、总结

　　1、Linux进程调度是基于分时和优先级的。

　　2、Linux中，内核线程是只有内核态没有用户态的特殊进程。

　　3、内核可以看作各种中断处理过程和内核线程的集合。

　　4、Linux系统的一般执行过程 可以抽象成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。

　　5、Linux中，内核线程可以主动调度，主动调度时不需要中断上下文的切换。

　　6、Linux内核调用schedule()函数进行调度，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。