Linux内核第八节 20135332武西垚

第一种分类：

• I/O-bound：频繁进行I/O，并且需要花费很多时间等待I/O完成

• CPU-bound：计算密集，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，常在后台进行；不必很快响应（典型的批处理系统：编译程序、科学计算）。

• 实时进程：有实时需求，不应被低优先级进程阻塞，响应时间短、要稳定（典型的实时进程：视频/音频、机械控制等）。

• 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，平均延迟要低（典型的交互式程序：shell、文本编辑程序、图形应用程序）。

Linux中的进程调度

调度策略：是决定什么时候以怎样的方式选择一个新进程运行的规则。Linux中的调度是多种策略和调度算法的组合。

Linux既支持普通的分是进程。也支持实时进程。Linux的调度基于分时和优先级。

Linux根据进程的优先级进行排队

• 根据特定的算法计算出进程的优先级，用一个值表示，这个值表示把进程如何适当的分配给CPU。

• Linux中进程的优先级是动态的，调度程序会根据进程行为的周期性调整进程的优先级。（较长时间未分配到CPU的进程优先级升高，已在CPU上运行了较长时间的进程优先级下降）

内核中的调度算法相关代码使用了类似OOD中的策略模式，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。不需要理解这种策略，对我们对于内核的理解并没有帮助。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。

schedule函数

schedule函数：实现调度，在队列中自傲一个进程把CPU分配给它。

调用方法：

• 直接调用schedule()
• 松散调用，根据need_resched标记

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（内核线程是只有内核态而没有用户态的特殊进程）。

• 用户态进程只能被动调度，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。

进程上下文切换相关代码分析

进程的切换

进程切换（任务切换、上下文切换）：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，

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；而进程切换是在不同的进程之间进行调度。

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，中断：保存现场&恢复线程；进程调度：switc_to的机制）

schedule()函数实现方法

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);//封装了使用的某种进程调度策略，选择一个进程作为next

• context_switch(rq, prev, next);//实现进程上下文切换

• switch_to切换寄存器的状态和堆栈，利用两个参数：prev指向当前进程，next指向被调度的进程

• 一般进程切换的过程

  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(当前进程CPU的状态压入用户态进程X的内核堆栈) load cs:eipss:esp(加载中断服务例程和内核堆栈)。
  3. 进入中断处理进程，首先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 恢复进程X的执行状态
  7. iret - pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack
  8. 继续运行用户态进程Y

  几种特殊情况

  • 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没有进程用户态和内核态的转换；

  • 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，比 最一般的情况略简略；

  • 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；

  • 加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况，如execve；