理解进程调度时机跟踪分析进程调度与进程切换的过程
实验八：理解进程调度时机跟踪分析进程调度与进程切换的过程
姓名：李冬辉
学号：20133201
注： 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
云课堂笔记：
进程的调度时机与进程的切换
操作系统原理中介绍了大量进程调度算法，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。
对于理解操作系统的工作机制，反而是进程的调度时机与进程的切换机制更为关键。
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。
进程的切换
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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；
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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；
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进程上下文包含了进程执行需要的所有信息
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用户地址空间： 包括程序代码，数据，用户堆栈等
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控制信息 ：进程描述符，内核堆栈等
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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）
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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
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next = pick_next_task(rq, prev);//进程调度算法都封装这个函数内部
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context_switch(rq, prev, next);//进程上下文切换
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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
Linux系统的一般执行过程
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
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正在运行的用户态进程X
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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).
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SAVE_ALL //保存现场
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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
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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)
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restore_all //恢复现场
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iret - pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack
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继续运行用户态进程Y
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；
4.加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况，如execve；
课程幻灯片
实验内容
1.理解Linux系统中进程调度的时机，可以在内核代码中搜索schedule()函数，看都是哪里调用了schedule()，判断我们课程内容中的总结是否准确。
2.使用gdb跟踪分析一个schedule()函数
，验证您对Linux系统进程调度与进程切换过程的理解；推荐在实验楼Linux虚拟机环境下完成实验。
3.特别关注并仔细分析switch_to中的汇编代码，理解进程上下文的切换机制，以及与中断上下文切换的关系。
实验步骤
1.打开实验楼虚拟机
2.在shell中依次运行以下命令，获取本次实验的代码，并编译运行
cd LinuxKernel
rm menu –rf
git clone https://github.com/mengning/menu.git
cd menu
mv test_exec.c test.c
make rootfs
3. 终端输入qemu –kernel
linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage –initrd rootfs.img –S –s
然后打开另一个终端输入
gdb
(gdb)file linux-3.18.6/vmlinux
(gdb)target remote:1234
(gdb)b schedule
接下来输入c继续执行，则系统即可停在该函数处，接下来就可以使用命令n或者s逐步跟踪，可以详细浏览pick_next_task，switch_to等函数的执行过程。
实验截图
关于schedule()函数：
该函数包含了：
- 针对抢占的处理
- 自旋锁(
raw_spin_lock_irq(&rq->lock);) - 检查prev的状态,并且重设state的状态
- 进程调度算法(
next = pick_next_task(rq, prev);) - 更新就绪队列的时钟
- 进程上下文切换(
context_switch(rq, prev, next);)
context_switch
在挑选得到了下一个即将被调度进来的进程之后，如果被选中的进程不是当前正在运行的进程，那么需要进行上下文切换以执行被选中的进程即context_switch。
context_switch中包含了:
- 判断是否为内核线程,即是否需要上下文切换(
mm)- 如果next是一个普通进程，schedule( )函数用next的地址空间替换prev的地址空间
- 如果prev是内核线程或正在退出的进程，context_switch()函数就把指向prev内存描述符的指针保存到运行队列的prev_mm字段中，然后重新设置prev->active_mm
- 切换堆栈和寄存器(
switch_to(prev, next, prev);)
switch to
这个宏实现了进程之间的真正切换:
- 首先在当前进程prev的内核栈中保存esi,edi及ebp寄存器的内容。
- 然后将prev的内核堆栈指针ebp存入prev->thread.esp中。
- 把将要运行进程next的内核栈指针next->thread.esp置入esp寄存器中
- 将popl指令所在的地址保存在prev->thread.eip中，这个地址就是prev下一次被调度
- 通过jmp指令（而不是call指令）转入一个函数
__switch_to() - 恢复next上次被调离时推进堆栈的内容。从现在开始，next进程就成为当前进程而真正开始执行。
总结：
schedule（）主要从运行队列链表中找到一个进程，并将CPU分配给该进程。Linux调度时机：1.进程从中断、异常及系统调用返回到用户态时 2.内核线程主动调用schedule（）。调度完成后即进行进程切换，保存（prev）现场并入栈保存，切换到当前进程的地址空间，修改eip等，开始执行新的进程。
进程上下文即进程执行时的环境，（Linux中定义：当一个进程执行时，CPU的所有寄存器的值，进程的状态及堆栈中的内容。）中断上下文即中断执行时的环境，也就是硬件传递的一些参数和内核需要保存的被中断的进程的环境。
