第八周学习总结——进程的切换和系统的一般执行过程

第八周学习总结——进程的切换和系统的一般执行过程

作者：刘浩晨
【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-1000029000

一、进程切换的关键代码switch_to的分析

1.进程调度与进程调度的时机分析

（1）为什么有多种进程调度算法——每个进程对CPU、I/O等资源需求不一样。

• 第一种分类：

    I/O密集型（I/O-bound）：频繁的进行I/O，通常会花费很多时间等待I/O操作的完成
    CPU密集型（CPU-bound）：计算密集型，需要大量的CPU时间进行运算
  

• 第二种分类：

    批处理进程：不必与用户交互，通常在后台运行；不必很快响应典型的批处理程序：编译程序，科学计算
    实时进程：有实时需求，不应被低优先级的进程阻塞；响应时间要短、要稳定；典型的实时进程：视频、音配、机械控制。
    交互式进程：需要经常与用户交互，因此要花很多时间等待用户输入操作；响应时间要快，平均延迟低于50~150ms；典型的交互式程序： shell，文本编辑程序，图形应用程序等
  

（2）调度策略：一组规则，决定什么时候以怎样的方式选择一个新进程运行。

• Linux的调度基于分时和优先级策略。
• Linux的进程根据优先级（系统根据特定算法计算出来的一个值，表示把进程如何适当分配CPU）排队。
• Linux中进程的优先级是动态的——调度程序会根据进程的运行周期动态调整其优先级；较长时间未分配到CPU的进程，通常提升优先级，已经在CPU上运行了较长时间的进程，通常降低优先级。
• 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（schedule()函数实现）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（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，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。

注意：用户态进程只能被动调度，内核线程是只有内核态没有用户态的特殊进程。

2. 进程上下文切换相关代码分析

• 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

    next = pick_next_task(rq, prev);  //进程调度算法都封装这个函数内部
    context_switch(rq, prev, next);  //进程上下文切换
    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。
  

switch_to汇编代码分析：

    #define switch_to(prev, next, last)                    
    do {                                 
                       
           unsigned long ebx, ecx, edx, esi, edi;                
                                
           asm volatile("pushfl\n\t"     
              "pushl %%ebp\n\t"        /* 把当前进程的堆栈基址压栈  */ 
              "movl %%esp,%[prev_sp]\n\t"  /* 把当前进程的栈顶保存到thread.sp  */ 
              "movl %[next_sp],%%esp\n\t"  /* 这两行完成内核堆栈切换，把下一进程栈顶放入esp  */ 
              "movl $1f,%[prev_ip]\n\t"    /* 保存当前进程的EIP，next_ip一般是$1f，对于新创建的子进程是ret_from_fork   */ 
              "pushl %[next_ip]\n\t"   /* 把下一个进程的起点EIP压入堆栈   */    
              __switch_canary                   
              "jmp __switch_to\n"  /* 通过寄存器传递参数，返回1f  */ 
              "1:\t"               /* 认为next进程开始执行，执行下一进程的第一条指令 */         
             "popl %%ebp\n\t"     /* restore EBP   */    
                "popfl\n"         /* restore flags */  
               /* output parameters 因为处于中断上下文，在内核中 prev_sp是内核堆栈栈顶 */                
             : [prev_sp] "=m" (prev->thread.sp),//内核堆栈的栈顶     
              [prev_ip] "=m" (prev->thread.ip),  //[prev_ip]是标号        
                "=a" (last),                        
                 /* clobbered output registers: */     
                "=b" (ebx), "=c" (ecx), "=d" (edx),      
             "=S" (esi), "=D" (edi)                 
               __switch_canary_oparam                              
             : [next_sp]  "m" (next->thread.sp), //下一个进程的内核堆栈的栈顶       
                [next_ip]  "m" (next->thread.ip), //下一个进程执行的起点，一般是$1f，对于新创建的子进程是ret_from_fork            
               /* regparm parameters for __switch_to(): */  
               [prev]     "a" (prev),              
               [next]     "d" (next)                 
               __switch_canary_iparam                
              : /* reloaded segment registers */           
               "memory");                  
    } while (0)

二、Linux系统的一般执行过程

1.Linux系统的一般执行过程分析

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

（1）正在运行的用户态进程X

（2）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).

（3）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)

（6）restore_all //恢复现场

（7）iret - pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack

（8）继续运行用户态进程Y

2.linux系统执行过程中的几个特殊情况

• 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的时候没有进程用户态和内核态的转换，cs不会变化；
• 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，也不需要从中断中返回，与最一般的情况相比更简略；
• 创建子进程的系统调用在子进程中的执行起点（如ret_from_fork，上文中也已经提到过)及返回用户态，如fork()；
  加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况，如execve，在新进程内部修改了中断保存的信息

3.内核和舞女

• 地址空间4G，3G以上只有内核态可以访问。
• 内核就相当于出租车，进程招手就可以进来完成内核态到用户态的转换；没有进程就空转。
• 3G以上对所有进程是共享的，内核是各种中断处理程序和内核线程的集合。

三、Linux系统架构和执行过程概览

1.Linux操作系统架构概览

（1）操作系统——任何计算机系统都包含一个基本的程序集合。

（2）操作系统有两个目的：

• 与硬件交互，管理所有的硬件资源；
• 为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境。

2.最简单也是最复杂的操作——执行ls命令

3. 从CPU和内存的角度看Linux系统的执行

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!

1.根据以前所学步骤，配置好试验环境：

2.进入gdb调试，设置断点：

3.执行c，看到此时被冻结的内核运行到schedule处中断：

4.单步执行到__schedule处，进入函数继续单步执行到pick_next_task()：

5.继续执行c，到context_switch断点处。list查看详细代码：

6.继续单步执行可看到prepare_task_switch()，这个函数为进程上下文切换做准备工作：

7.继续单步执行可看到switch_to(),完成跟踪：

理解总结：

根据这周所学课本上内容，本周主要理解Linux中进程调度与进程切换过程。进程调度是按一定的策略动态地把处理机分配给处于就绪队列中的某一个进程，以使之执行。而进程切换是从正在运行的进程中收回处理器，然后再使待运行进程来占用处理器。实质上就是把进程存放在处理器的寄存器中的中间数据找个地方存起来，从而把处理器的寄存器腾出来让其他进程使用。对于具体过程实验中也有跟踪调试，可供参考。