作业8：进程的切换和系统的一般执行过程 20135115臧文君

[b]进程的切换和系统的一般执行过程[/b]

注：作者：臧文君，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、进程调度与进程调度的时机分析

1、不同类型的进程有不同的调度需求





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。

2、调度策略：是一组规则，它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。



3、内核中的调度算法相关代码使用了类似OOD的策略模式。

4、进程调度的时机

（1）中断处理过程中，schedule函数实现调度：



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()。

（2）用户态进程只能被动调度

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。

（3）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。

二、进程上下文切换相关代码分析

1、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。

2、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；进程上下文的切换是两个进程的切换。

3、进程上下文包含了进程执行需要的所有信息

（1）用户地址空间：包括程序代码，数据，用户堆栈等。

（2）控制信息：进程描述符，内核堆栈等。

（3）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）。

4、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、策略都封装这个函数内部

context_switch(rq, prev, next);//完成进程上下文切换

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。



这两句完成了内核堆栈的切换，将当前内核堆栈的栈顶保存起来，把下一个next进程的栈顶放到ESP寄存器中，之后的压栈动作都是在next进程堆栈中完成。

next_ip一般是$1f，对于新创建的子进程是ret_from_fork。

31#define switch_to(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   * __switch_to())
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           __switch_canary
49           "jmp __switch_to\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             __switch_canary_oparam
64
65             /* input parameters: */
66           : [next_sp]  "m" (next->thread.sp),
67             [next_ip]  "m" (next->thread.ip),
68
69             /* regparm parameters for __switch_to(): */
70             [prev]     "a" (prev),
71             [next]     "d" (next)
72
73             __switch_canary_iparam
74
75           : /* reloaded segment registers */
76          "memory");
77 } while (0)

三、Linux系统的一般执行过程分析

1、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、关键：中断上下文的切换和进程上下文的切换

四、Linux系统执行过程中的几个特殊情况

1、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，CS段没有变化；

（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next_ip = ret_from_fork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。

2、X86_32位系统下，每个进程的地址空间4G。0-3G用户态，3G-4G仅内核态。

所有的进程3G以上的部分是共享的。

内核是各种中断处理过程和内核线程的集合。

五、Linux操作系统架构概览

1、操作系统的基本概念



2、典型的Linux操作系统的结构



六、最简单也是最复杂的操作---执行ls命令



七、从CPU和内存的角度看Linux系统的执行

1、从CPU的角度



0xc0000000以下是3G的部分，用户态。

（1）c=gets();系统调用，陷入内核态，将eip/esp/cs/ds等信息压栈。

（2）进程管理：等待键盘敲入指令。

（3）中断处理：在键盘上敲击ls发生I/O中断。

进程x陷入内核态后没有内容执行变成阻塞态，发生I/O中断后变成就绪态。

（4）系统调用返回。

2、从内存的角度



实验：

1、按照上一周的步骤，重新clone一个menu，并用test_exec.c覆盖test.c。



2、启动gdb进行调试，在schedule和context_switch处设置断点。



3、按c继续执行，看到第一个断点schedule，list查看代码。



4、进入该函数继续单步调试，在_pick_next_task处设置断点，list查看代码，可以看到进程上下文切换的步骤，最终调用finish_task_switch函数完成进程上下文的切换。