【MOOC EXP】Linux内核分析实验八报告
2016-04-14 13:13
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程涵
原创博客《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000
进程的切换和系统的一般执行过程
知识点梳理
一、进程切换的关键代码分析
1.1 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
实时进程
交互式进程shell
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。
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)
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
1.2 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
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
二、Linux系统的一般执行过程
2.1 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的过程正在运行的用户态进程X
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).
SAVE_ALL //保存现场
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
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)
restore_all //恢复现场
iret - pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack
继续运行用户态进程Y
2.2 Linux系统的一般执行过程中的几个特殊情况
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,与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
三、Linux系统架构和执行过程概览
3.1 Linux操作系统架构概览
1. 操作系统的基本概念及目的任何计算机系统都包含一个基本的程序集合,称为操作系统。
内核(进程管理,进程调度,进程间通讯机制,内存管理,中断异常处理,文件系统, I/O
系统,网络部分)
其他程序(例如函数库、 shell程序、系统程序等等)
操作系统的目的
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
2. 典型的Linux操作系统架构
硬件管理
内核实现
系统调用
基础软件(shell、lib)
用户程序
3.2 最简单、最复杂的操作——执行ls命令
3.3 从CPU和内存的角度看Linux系统的执行
1. 执行gets()函数
2. 执行系统调用,陷入内核
3. 等待输入,CPU会调度其他进程执行,同时wait一个I/O中断
4. 输入ls,发I/O中断给CPU,中断处理程序进行现场保存、压栈等等
5. 中断处理程序发现X进程在等待这个I/O(此时X已经变成阻塞态),处理程序将X设置为WAKE_UP
6. 进程管理可能会把进程X设置为next进程,这样gets系统调用获得数据,再返回用户态堆栈
7. 从CPU执行指令的角度看:
8. 从内存角度看,所有的物理地址都会被映射到3G以上的地址空间。因为这部分对所有进程来说都是共享的:
实验过程及截图
1:在shell命令行中依次运行以下命令2:打开gdb,并且分别设置断点
3:停在了断点1:schedule
4:停在了断点2:context_switch
5:按n单步执行,出现相同的地方。
6:qemu
总结:
linux系统的一般执行过程:
X正在运行--->发生中断,可能陷入内核,CPU自动保存加载--->SAVE_ALL保存现场--->调用schedule,switch_to进程上下文切换--->标号1之后运行Y(之前有进行准备动作)--->restore_all恢复现场--->iret- pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack--->继续运行用户态进程Y
进程调度算法只是一种抽象,着重理解进程的调度时机与进程的切换机制。
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