2018-2019-1 20189213《Linux内核原理与分析》第九周作业

进程的切换和系统的一般执行过程

书本重要知识回顾

1.进程调度的时机
①中断处理过程直接调用schedule()，或者当内核返回用户态时根据need_resched标志调用schedule()。
②内核线程是一个特殊的进程，只有内核态没有用户态，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（内核线程可以直接访问内核函数，所以不会发生系统调用）。
③内核线程作为一类的特殊的进程可以主动调用schedule函数让出CPU，也可以被动调度。
④用户态进程无法实现主动调度，仅能在中断处理过程中进行调度。

2.进程上下文切换
进程切换（或称任务切换、上下文切换）：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。
与中断上下文的区别：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；而进程切换是在不同的进程之间进行调度。
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，中断：保存现场&恢复线程；进程调度：switc_to的机制）

核心代码分析：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，context_switch中的一个关键宏switch_to来进行关键上下文切换。
①next = pick _ next _ task(rq, prev)//封装了使用的某种进程调度策略，选择一个进程作为next
②context_switch(rq, prev, next)//实现进程上下文切换
③switch_to切换寄存器的状态和堆栈，利用两个参数：prev指向当前进程，next指向被调度的进程。

3.Linux系统的运行过程
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(当前进程CPU的状态压入用户态进程X的内核堆栈)——load cs:eipss:esp(加载中断服务例程和内核堆栈)。
③进入中断处理进程，首先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)。
⑥restore_all 恢复进程X的执行状态。
⑦iret - pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack，
⑧继续运行用户态进程Y。从Y进程的内核堆栈中弹出②中硬件完成的堆栈内容。
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，比 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一个子进程时；
④加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况，如execve系统调用加载新的可执行程序；

4.Linux系统构架与执行过程概览
典型的linux操作系统的结构：

最简单也是最复杂的操作ls：

从内存的角度看Linux的系统执行：

实验：理解进程调度时机跟踪分析进程调度与进程切换的过程

主要使用gdb跟踪分析一个schedule()函数，首先进入实验楼环境，配置运行MenuOS系统：


配置gdb远程调试和设置断点，其中switch_to是宏定义，无法添加：

按c执行，停在schedule函数断点处，发现调用了schedule()，即发生了进程调度：

按c继续执行到pick_next_task断点处：发现在这里使用了某种调度策略选择下一个进程来切换；

按c继续执行到context_switch断点处：context_switch用来实现进程的切换；

单步调试进入switch_to函数内部：

context_switch首先调用switch_mm切换CR3，然后调用宏switch_to来进行硬件上下文切换。

总结

①linux进程调度是基于分时和优先级的。
②在linux中，进程主动调度的时机可以在中断处理过程中、内核线程中，但用户态进程无法实现主动调度，仅能通过陷入内核态的新时机点进行调度，即在中断处理过程中进行调度。
③内核线程是只有内核态没有用户态的特殊进程。
④linux内核调用schedule()函数进行进程调度，并调用context_switch进行上下文的切换，调用switch_to来进行进程关键上下文切换。
⑤linux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。
⑥内核可以看作各种中断处理过程和内核线程的集合。
⑦本书前面的章节覆盖了进程管理的相关内容，本章则考察了进程调度所遵循的基本原理、具体实现、调度算能以及目前Linux内核所使用的接口。