20135239 益西拉姆 linux内核分析进程的切换和系统的一般执行过程

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week 8 进程的切换和系统的一般执行过程

【 20135239 原文请转载请注明出处《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000】

一、进程调度与进程调度的时机分析

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。
不同类型的进程有不同的调度需求
第一种分类：
- 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-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
  - 有实时要求，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，因此要花很长时间等待用户输入操作
  - 响应时间要快，平均延迟要低于50~150ms
  - 典型的交互式程序：shell、文本编辑程序、图形应用程序等
Linux既支持普通的分时进程，也支持实时进程
Linux中的调度是多种调度策略和调度算法的混合
什么事调度策略？
- 是一组规则，他们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
- 随着版本的变化，分时技术在不断变化
Linux的进程根据优先级排队
- 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的行为周期性的调整进程的优先级
  - 较长时间未分配到CPU的进程，通常往上
  - 已经在CPU上运行了较长时间的进程通常往下
内核中的调度算法相关代码使用了类似OOD中的策略模式
将调度算法与其他部分耦合了
****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。
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
内核线程可以主动调度也可以被动调度

二、进程上下文代码的相关分析

进程的切换
• 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，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contextswitch进行上下文的切换，这个宏调用switchto来进行关键上下文切换
• next = picknexttask(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
• switchto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 ```1. 31#define switchto(prev, next, last) \
32do { \
33 /* \
34 * Context-switching clobbers all registers, so we clobber \
35 * them explicitly, via unused output variables. \
36 * (EAX and EBP is not listed because EBP is saved/restored \
37 * explicitly for wchan access and EAX is the return value of \
38 * _switchto()) \
39 */ \
40 unsigned long ebx, ecx, edx, esi, edi; \
41 \
42 asm volatile("pushfl\n\t" /* save flags */ \
43 "pushl %%ebp\n\t" /* save EBP */ \
44 "movl %%esp,%[prev_sp]\n\t" /* save ESP */ \
45 "movl %[next_sp],%%esp\n\t" /* restore ESP */ \
46 "movl $1f,%[prev_ip]\n\t" /* save EIP */ \
47 "pushl %[next_ip]\n\t" /* restore EIP */ \
48 _switchcanary \
49 "jmp _switchto\n" /* regparm call */ \
50 "1:\t" \
51 "popl %%ebp\n\t" /* restore EBP */ \
52 "popfl\n" /* restore flags */ \
53 \
54 /* output parameters */ \
55 : [prev_sp] "=m" (prev->thread.sp), \
56 [prev_ip] "=m" (prev->thread.ip), \
57 "=a" (last), \
58 \
59 /* clobbered output registers: */ \
60 "=b" (ebx), "=c" (ecx), "=d" (edx), \
61 "=S" (esi), "=D" (edi) \
62 \
63 switchcanaryoparam \
64 \
65 /* input parameters: */ \
66 : [next_sp] "m" (next->thread.sp), \
67 [next_ip] "m" (next->thread.ip), \
68 \
69 /* regparm parameters for _switchto(): */ \
70 [prev] "a" (prev), \
71 [next] "d" (next) \
72 \
73 switchcanaryiparam \
74 \
75 : /* reloaded segment registers */ \
76 "memory"); \
77} while (0)
nextip一般是￥1f，对于新创建的子进程是retfrom_fork

三、Linux系统的一般执行过程分析

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
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
中断上下文的切换和进程上下文的切换