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
20135109 高艺桐
《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000
一、进程切换的关键代码switch_to分析
1、1进程调度与进程调度的时机分析
（1）进程的分类：I/O密集型、CPU—bound
（2）什么是调度策略：是一组规则，他们决定什么时候以什么样的方式选择一个新进程运行。
（3）Linux的进程优先级是动态的：较长时间未分配到的cpu的进程会提高优先级；已经在cpu上运行很长时间的进程，优先级会下降。
（4）内核中的调度算法相关代码使用了类似OOD中的策略模式。将调度算法与其他地方耦合了。
（5）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），直接调用schedule（），或者通过need_resched标记调度的schedule（）。
- 用户态进程只能被动调度，即在中断处理过程中进行调度。
- 内核线程可以直接调用schedule（），也可以在中断处理过程中进行调度，可以主动调度也可以被动调度。
1、2进程上下切换相关代码分析
（1）进程上下文切换：挂起正在cpu上运行的进程，与中断时保存现场是不同的，中断前后是在同一个上下文中，只是由用户态转向内核态，但是进程切换是两个进程间的切换。
（2）需要切换的信息：用户地址空间、控制信息、硬件上下文（中断也要保存上下文）等。
（3）schedule（）中的context_switch中的switch_to切换寄存器和堆栈的状态、eip的位置。
（4）thread.sp内核堆栈的栈底；thread.ip当前进程的eip。
（5）next进程的第一条指令：next_ip一般是$1f，对于新创建的子进程是ret_from_fork。
二、Linux系统的一般执行过程
2、1Linux系统的一般执行过程分析
（1）发生中断时：cpu保存eip、esp压如到内核堆栈x中，加载内核堆栈的相关信息（服务历程的起点）。
（2）switch_to做了关键的进程上下文的切换（x内核的堆栈以及eip切换到next进程的堆栈）。
（3）标号1之后开始运行用户态进程Y。
（4）restore_all恢复现场。
（5）iret（pop出y进程发生中断时保存的eip、ss：eip）。
（6）继续运行切换的进程y。
（7）中断上下文切换和进程上下文的切换两个进程的切换。
2、2Linux系统执行过程中的几个特殊情况
（1）内核线程通过中断处理过程中（用户态进程与内核线程间的切换以及内核进程和内核进程间的切换）没有权限的变化，cs段没有发生变化。
（2）内核线程主动调度schedule（），只有进程上下文的切换，没有发生中断上下文的切换。
（3）创建子进程的系统调用，子进程返回时的执行起点为ret_form_fork（next_ip=ret_form_fork）。
2、3内核与舞女
（1）0-3G用户态，3gG以上内核态访问。
（2）所有进程在内核态中都完全相同（代码共享）。
（3）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
3、1Linux操作系统架构概览
3、2最简单也是最复杂的操作——执行ls命令
（1）在控制台下输入ls命令
- 中断的概念，终端控制台设备驱动的概念
- shell程序分析输入参数，确定ls命令
- 调用系统调用fork生成一个shell本身的拷贝
- 调用exec系统调用将ls的可执行文件放入内存
- 从系统调用返回
- shell和ls都得以执行
3、3从CPU和内存的角度看Linux系统的执行
（1）从CPU和内存的角度看Linux系统的执行
（2）从内存角度看Linux系统的执行
四、实验截图
1、搭建环境
2、加载符号表并连接到端口1234
3、设置断点：schedule、context_switch、switch_to，其中switch_to 要明确位置
4、继续运行到断点1
5、继续运行到断点2
6、继续运行到断点3
此时，也可以看到switch_to 的位置。
五、实验总结
本周视频主要讲解了进程切换的关键代码switch_ to分析、Linux系统的一般执行过程、Linux系统架构和执行过程。从中我了解到schedule()函数实现进程调度，context_ switch完成进程上下文切换，switch_ to完成寄存器的切换。在调度时机方面，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。而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。
