Linux内核分析 笔记八 进程的切换和系统的一般执行过程 ——by王玥

一、进程切换的关键代码switch_to的分析

(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:
    • I/O-bound:频繁地进行I/O,花费很多的时间等待I/O操作的完成
    • CPU-bound:计算密集型,需要大量的CPU时间进行计算
  1. 第二种分类:
    • 批处理进程
    • 实时进程
    • 交互式进程(shell)
  2. 进程调度策略:是一组规则,决定何时以何种方式选择进程。

 

  • Linux的调度基于分时和优先级策略:
    1. 进程根据优先级排队;
    2. 这个优先级的值表示如何适当分配CPU;
    3. 进程的优先级是动态的
    4. 调度程序会根据进程的运行周期动态调整优先级;
    5. 比如nice等系统调用,可以手动调整优先级
  • 调度策略本质上是一种算法,这些算法从实现的角度看仅仅是从运行队列中选择一个新进程,选择的过程中运用了不同的策略而已
  • 内核中的调度算法相关代码使用了类似OOD中的策略模式

 

3.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。

 

(二)进程切换上下文的相关代码

1.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

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

  1. 31#define switch_to(prev, next, last)                    \
  2. 32do {                                 \
  3. 33  /*                              \
  4. 34   * Context-switching clobbers all registers, so we clobber  \
  5. 35   * them explicitly, via unused output variables.     \
  6. 36   * (EAX and EBP is not listed because EBP is saved/restored  \
  7. 37   * explicitly for wchan access and EAX is the return value of   \
  8. 38   * __switch_to())                     \
  9. 39   */                                \
  10. 40  unsigned long ebx, ecx, edx, esi, edi;                \
  11. 41                                  \
  12. 42  asm volatile("pushfl\n\t"      /* save    flags */   \
  13. 43           "pushl %%ebp\n\t"        /* save    EBP   */ \
  14. 44           "movl %%esp,%[prev_sp]\n\t"  /* save    ESP   */ \
  15. 45           "movl %[next_sp],%%esp\n\t"  /* restore ESP   */ \
  16. 46           "movl $1f,%[prev_ip]\n\t"    /* save    EIP   */ \
  17. 47           "pushl %[next_ip]\n\t"   /* restore EIP   */    \
  18. 48           __switch_canary                   \
  19. 49           "jmp __switch_to\n"  /* regparm call  */ \
  20. 50           "1:\t"                        \
  21. 51           "popl %%ebp\n\t"     /* restore EBP   */    \
  22. 52           "popfl\n"         /* restore flags */  \
  23. 53                                  \
  24. 54           /* output parameters */                \
  25. 55           : [prev_sp] "=m" (prev->thread.sp),     \
  26. 56             [prev_ip] "=m" (prev->thread.ip),        \
  27. 57             "=a" (last),                 \
  28. 58                                  \
  29. 59             /* clobbered output registers: */     \
  30. 60             "=b" (ebx), "=c" (ecx), "=d" (edx),      \
  31. 61             "=S" (esi), "=D" (edi)             \
  32. 62                                       \
  33. 63             __switch_canary_oparam                \
  34. 64                                  \
  35. 65             /* input parameters: */                \
  36. 66           : [next_sp]  "m" (next->thread.sp),        \
  37. 67             [next_ip]  "m" (next->thread.ip),       \
  38. 68                                       \
  39. 69             /* regparm parameters for __switch_to(): */  \
  40. 70             [prev]     "a" (prev),              \
  41. 71             [next]     "d" (next)               \
  42. 72                                  \
  43. 73             __switch_canary_iparam                \
  44. 74                                  \
  45. 75           : /* reloaded segment registers */           \
  46. 76          "memory");                  \
  47. 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.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

  • 中断上下文和进程上下文切换:前者是CPU内部的切换;后者是在内核中堆栈的切换

 

(三)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,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;next_ip=ret_from_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;4.地址切换

 

 

(四)内核与舞女

  1. 进程的地址空间一共有4G,其中0——3G是用户态可以访问,3G以上只有内核态可以访问
  2. 内核就是各种中断处理过程和内核线程的集合;
  3. 内核相当于出租车,可以为每一个“招手”的进程提供内核态到用户态的转换;
  4. 没有进程需要“承载”的时候,内核进入idle0号进程进行“空转”;
  5. 3G以上的部分就是这样的“出租车”,是所有进程共享的,在内核态部分切换的时候就比较容易

 

 

三、LINUX 系统架构和执行过程概述

(一)Linux系统架构概览


(二)最简单也是最复杂的操作——ls

COW :COPY ON WRITE

(三)CPU和内存的角度看Linux系统的执行

  1. 执行gets()函数;
  2. 执行系统调用,陷入内核;
  3. 等待输入,CPU会调度其他进程执行,同时wait一个I/O中断;
  4. 敲击ls,发I/O中断给CPU,中断处理程序进行现场保存、压栈等等;
  5. 中断处理程序发现X进程在等待这个I/O(此时X已经变成阻塞态),处理程序将X设置为WAKE_UP;
  6. 进程管理可能会把进程X设置为next进程,这样gets系统调用获得数据,再返回用户态堆栈

  • 从内存角度看,所有的物理地址都会被映射到3G以上的地址空间:因为这部分对所有进程来说都是共享的

四、实验

 1、配置实验环境,确保menu内核可以正常启动

2.进入gdb调试,在shedule和context_switch处设置断点

 

 

4.c之后按n单步执行,直到遇到__schedule函数

                                      

 

posted on 2016-04-13 21:17  20135232  阅读(248)  评论(0编辑  收藏  举报