Linux内核分析（第八周）

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

　　1.进程调度与其时机分析

　　　　分类：
　　　　　　第一种分类 I/O-bound:频繁的进行I/O；会花很多时间等待I/O操作完成
　　　　　　　　　　　 CPU-bound:计算密集型；需要大量cpu时间进行计算
　　　　　　第二种分类 批处理进程：不必与用户交互，通常在后台进行；不行很快响应（编译程序，科学计算）

　　　　　　　　　　　 实时进程：有实时需求，不被低优先级的进程阻塞；响应时间短，稳定（视频/音频，机械）
　　　　　　　　　　　 交互式进程：经常和用户交互；花很多时间等待用户输入，响应时间快（shell;文本编辑器）
　　　　linux中的调度是多种调度策略和算法的混合：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　是基于分时和优先级的；
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　进程的优先级是动态的；
　　　　*内核中的调度算法相关代码使用了类似OOD中的策略模式
　　

　　　　进程调度的时机：
　　　　　　　　　　　　schedule函数：在运行队列找到一个进程，把CPU分配给它（直接调用或者分散标记need_reched）
　　　　　　　　　　　　中断处理过程中，直接调用schedule()，或者返回用户态schedule（）根据标记来返回；
　　　　　　　　　　　　内核线程直接调用schedule()进行线程切换（内核线程是只有内核态没有用户态的特殊进程）；

　　　　　　　　　　　　用户态无法主动调度，仅能陷入内核态后的某个时机点进行调度（只能被动调度）；

 

　　2.进程上下文切换相关代码分析

　　　　进程的切换：

　　　　　　　　　　挂起正在CPU上执行的进程，与中断时保存现场不同，中断前后是同一个进程上下文中，由用户态向内核态进行，包含了进程执行所需要的所有信息（用户地址空间;控制信息；硬件上下文）

　　　　schedule()选择一个新进程来运行，调用context_switch进行上下文切换，这个宏调用switch_to进行关键上下文切换
　　　　　　　　　　next=pick_next_task
　　　　　　　　　　context_switch（上下文切换）
　　　　　　　　　　switch_to（pre,next,last）

　　　　*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

　　1.一般执行过程

　　　　　　　　正在运行X→发生中断→SAVE_ALL(保存现场)→中断处理过程或中断返回前调用schedule()，其中的switch_to进行上下文切换→标号1后开始运行进程Y→RESTORE_ALL(恢复现场)→iret_pop→继续运行用户态Y

　　2.特殊情况

　　　　　　　　内核线程发生中断没有进程用户态，内核态转换；
　　　　　　　　内核线程主动调用schedule（），只有进程上下文切换，没有中断文上下文切换；
　　　　　　　　创建子进程的系统调用在子进程的执行起点，以及返回用户态（next_ip=ret_from_fork）
　　　　　　　　加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况（如exceve）

　　3.内核是各种中断处理过程和内核进程的集合

 

三、linux系统架构和执行过程概览

　　1.架构概览

　　2.执行ls命令→确定命令→fork生成一个shell本身的拷贝→exce将ls的可执行文件装入内存→从系统调用返回
　　3.从CPU和内存的角度看linux的执行过程

 

四、实验

 

 1.

打开shell终端，执行以下命令：cd LinuxKernel

　　　　　　　　　　　　　　rm -rf menu

　　　　　　　　　　　　　　git clone https://github.com/mengning/menu.git

　　　　　　　　　　　　　　cd menu

　　　　　　　　　　　　　　mv test_exec.c test.c

　　　　　　　　　　　　　　make rootfs

 

 

 

 2.

可以通过增加-s -S启动参数打开调试模式

　　　　　　　　　　　　　　qemu -kernel ../linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd ../rootfs.img -s -S

打开gdb进行远程调试

　　　　　　　　　　　　　　gdb

　　　　　　　　　　　　　　file ../linux-3.18.6/vmlinux

　　　　　　　　　　　　　　target remote:1234

设置断点

　　　　　　　　　　　　　   b schedule

　　　　　　　　　　　　　　b context_switch

　　　　　　　　　　　　　　b switch_to

　　　　　　　　　　　　　　b pick_next_task

 

 

 

 

 

schedule()函数用来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(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)来进行关键上下文切换，其中pick_next_task()函数封装了进程调度算法。