基于时间片轮转程序分析进程调度

 

 张雨梅   原创作品转载请注明出处

《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-10000

 

背景知识

       一般程序运行过程中都会发生中断，发生中断时，CPU先把当前的内容保存，然后执行中断程序，中断返回时，根据保存的内容恢复现场。这次实验用一个简单的时间片轮转程序分析进程调度的过程。

 

实验过程

     使用实验楼的虚拟机操作，实验代码在mykernel中找，包括3个c文件，mypcb.h,mymain.c,myinterrupt.c。

     打开实验楼的shell，修改mykernel文件夹中的三个文件，然后make

cd LinuxKernel/linux-3.9.4
cd mykernel
vi mymain.c
vi  myinterrupt.c
vi mypcb.h
cd ..
make allnoconfig
make

运行结果的部分截图如下，可以看到此时进程3切换到进程0

 

代码分析

     实验用到三个c文件， mypcb.h,mymain.c,myinterrupt.c。其中，

     mypcb.h的主要功能：

          1.PCB结构体

          2.Thread结构体

          3.声明了my_schedule函数

     mymain.c的主要功能：

          1.my_start_kernel函数创建进程0，也是入口函数

          2.复制进程

          3.进程函数my_process，其中有my_schedule函数的调用

     myinterrupt.c的主要功能：

          1.my_timer_handler产生时钟中断

          2.my_schedule切换进程

 

    下面分析程序的执行过程

          mypcb.h中设置MAX_TASK_NUM的值为4，也就是共有四个进程，分别为0,1,2,3.

          程序从my_start_kernel开始执行，    

    int pid = 0;
    int i;
     /* Initialize process 0*/
    task[pid].pid = pid;/*进程0*/
    task[pid].state = 0;/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped 进程0的初始状态为可运行 */
    task[pid].task_entry = task[pid].thread.ip = (unsigned long)my_process;/*进程0的eip指向my_process*/
    task[pid].thread.sp = (unsigned long)&task[pid].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];/*初始时sp指向分配给进程0的堆栈的最高地址*/
    task[pid].next = &task[pid];/*初始进程0的下一个进程是进程0*/

          然后复制了三个进程，注意

    task[i].state = -1;/*进程1,2,3的初始状态不可执行*/

    task[i].next = task[i-1].next;
    task[i-1].next = &task[i];

        这两句代码设置了进程的切换方式，比如进程0切换到进程1，进程1切换到进程2。

         

   /* start process 0 by task[0] */
     pid = 0;
     my_current_task = &task[pid];
     asm volatile(
         "movl %1,%%esp\n\t" /* set task[pid].thread.sp to esp */
         "pushl %1\n\t" /* push ebp */
         "pushl %0\n\t" /* push task[pid].thread.ip */
         "ret\n\t" /* pop task[pid].thread.ip to eip */
         "popl %%ebp\n\t"
         :
         : "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp) /* input c or d mean %ecx/%edx*/
         );

          现在执行的是进程0，这段代码是把esp指向分配给进程0的堆栈段的最高地址，把当前ebp入栈保存，eip指向task[pid].thread.ip，也就是my_process，开始执行my_process函数。这里ret执行以后，转到my_process函数，"popl %%ebp\n\t"这一句不执行。

     if(i%10000000 == 0)
          {
              printk(KERN_NOTICE "this is process %d -\n",my_current_task->pid);
              if(my_need_sched == 1)
              {
 my_need_sched = 0;/*置为0，不能进行进程调度，直到再次发生时钟中断置为1*/
 my_schedule();
              }
 printk(KERN_NOTICE "this is process %d +\n",my_current_task->pid);
          }

          结合my_timer_handler函数一起分析

    if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1)
    {
        printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<\n");
        my_need_sched = 1;/*置为1*/
    }

         初始my_need_sched值为0，my_timer_handler函数发生时钟中断时，置my_need_sched值为1，my_process函数中满足进程调度条件，调用my_schedule()。进程0的next是进程1，初始时，进程1,2,3的state均为-1，故执行else段。也就是说初次切换到进程1,2,3时都是先执行else段的代码。   

   else
   {
        next->state = 0;
        my_current_task = next;
        printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);
        /* switch to new process */
        asm volatile(
            "pushl %%ebp\n\t" /* save ebp */
            "movl %%esp,%0\n\t" /* save esp */
            "movl %2,%%esp\n\t" /* restore esp */
            "movl %2,%%ebp\n\t" /* restore ebp */
            "movl $1f,%1\n\t" /* save eip */    
            "pushl %3\n\t"
            "ret\n\t" /* restore eip */
            : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
            : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
         );
    }

        1.state：先把进程1的state置为0，下次切换到进程1的时候，就是执行if段。

        2.ebp、esp：目前依然在进程0的堆栈中，先把进程0的ebp入栈保存，设置pre->thread.sp为进程0的当前esp，然后esp、ebp都指向进程1的esp，其被初始化为分配给进程1的堆栈的最高地址。ebp、esp值相同，因为进程1初次使用，堆栈为空。

        3.eip：设置进程0的eip为$1f，用pre->thread.ip保存，表示if代码段1:处，即下次切换到进程0时，从1:处开始执行。eip指向eip指向进程1的eip，其被初始化为my_process。

        这时即完成了进程0向进程1的切换。进程1切换进程2，进程2切换到进程3的执行过程与之类似。

 

        当进程3切换到进程0时，由于进程0已经被执行过一次，其state为0，此时执行if代码段。  

   if(next->state == 0)/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
   {
        /* switch to next process */
　　　　 asm volatile(
　　　　  　 "pushl %%ebp\n\t" /* save ebp */
　　　　　　 "movl %%esp,%0\n\t" /* save esp */
 　　　　　　"movl %2,%%esp\n\t" /* restore esp */
　　　　　　 "movl $1f,%1\n\t" /* save eip */    
　　　　　　 "pushl %3\n\t"
　　　　　　 "ret\n\t" /* restore eip */
　　　　　　 "1:\t" /* next process start here */
　　　　　　 "popl %%ebp\n\t"
　　　　　　 : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
　　　　　　 : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)
　　　　);
　　　　my_current_task = next;
　　　　printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);
　　}

          这段代码与else段代码大体过程相同，就是保存进程3的ebp，esp，eip，然后对esp，eip重新赋值。不同的是：

          1.if没有设置ebp的值，此时进程0的栈非空

          2.if中设置的eip为进程0的eip，也就是执行到1：处，注意此时是已经转到了进程0的堆栈中。然后执行pop %%ebp，由于进程0的栈顶元素是进程0被中断时保存的ebp，此时进程0的堆栈情况和被中断时的堆栈情况一样。

          继续执行下面的代码，是在进程0的堆栈中执行的。

          程序继续运行，以后发生的进程切换执行的都是if段代码，和上述过程相同。

          

          进程切换的执行过程可以表示为

              

             另外可以看出，进程的next，prev是变化的，当前的prev进程，在以后的进程调度中，会变成next进程。