Linux内核分析08

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

进程调度的时机

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（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

不同的进程调度需求不同

分类一：I/O-bound 与 CPU-bound

内核线程是只有内核态没有用户态的特殊进程。可以被主动调动也可以被动调动。

next_ip 一般是$1f，对于新创建的子进程是ret_from_fork。

进程调度的时机（重点）

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。

关于switch_to 中esp eip 切换的认识

- esp 先切换

- eip 再切换

- 利用push eip +call 起到了类似的call 作用，但是灵活修改了eip 。

二，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。

正在运行的用户态进程X

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).

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

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；

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；

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；

加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况，如execve；

内核是各种中断处理过程和内核线程的集合。

三，Linux系统架构和执行过程概览

最简单也是最复杂的操作——在控制台执行ls命令

 

站在CPU执行指令的角度

站在内存角度

四，总结

 

调度简单说来就是控制权的转移，复杂的话就要考量，主要是 
- 什么时候切换 
- 选择哪些进程切换 
具体的调度方法根据应用场景来分 就是 调度策略。

了解schedule函数是分析进程调度的基础，后续可以从O(1)，cfs等进行扩展学习。