《Linux内核与分析》第八周

by 20135130王川东

一、进程切换关键代码switch-to分析

1、进程调度与进程调度时机分析

1)不同类型的进程有不同的调度要求

分类：I/0-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时间进行计算

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

　　　　　　　　 实时进程： 有实时需求，不应被低优先级的进程阻塞

　　　　　　　　　　　　　　响应时间要短要稳定

　　　　　　　　交互式进程：需要经常与用户交互，所以要花很多时间等待用户输入操作

　　　　　　　　　　　　　　响应时间要快，平均延迟低于50~150ms

2）schdule函数实现调度

目的：在运行队列中找到一个进程，把分配给它。

方法：直接调用schdule（）

松散调用：根据need-resched标记

2、进程调度时机：

1）中断处理过程：直接调用schedule（）或者标记调用

2）内核线程，可直接调用，可在中断处理过程调度（内核线程是一个特殊进程，可主动调用，可被动调用）

3）用户态进程无法调度，仅能通过陷入内核后的某个时机点进行调度，即在中断进程中进行调度（只能被动调度）

3、中断和进程的区别

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；

中断：是在同一进程上下中，只是由用户态到内核执行 （中断也保存硬件上下文，但方法不一样。（保存现场，恢复现场））

进程切换:包含进程执行需要的所有信息（两个进程的切换）（所有信息包括用户地址空间，控制信息，硬件上下文（switch-to机制））

　　　　注：　schdule（）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

4、部分函数的功能:pick-next-task:包装了调用进程的策略

　　　　　 　　　context-switch；实现进程上下文切换

　　　　　　　　　next-ip一般是$if,对于新创建的子进程是ret-from-fork（next是下一个进程的起点）

　　　　　　　　　jmp-switch-to，使用寄存器传递参数

switch_to函数代码分析如下：



二、进程一般执行过程

1、正在进行用户态X

2、发生中断

3、SAVE-ALL//保存现场

4、中断过程中或调用schdule（），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

6、restore-all//恢复现场

7、iret

8、继续运行用户进程Y

特殊情况：

1）通过中断处理过程中的调度时机，用户态进程和内核线程之间相互切换和内核线程之间相互切换，与一般情况类似，只是内核线程运行过程中发生中断没有用户态和内核态的切换

2)内核线程主动调用schdule（），只有进程上下文，没有中断上下文切换

3）创建子进程的系统调用在子进程中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

注：0-3G内核态和用户态都可以访问，3G以上只能内核态访问。

内核是各种中断处理过程和内核线程的集合。

三、架构概览：

Linux操作系统架构：





在控制带输入ls命令：



1、在cpu的角度看执行过程：



　　具体执行过程及分析如下

gets（）陷入内核态—>进程管理，执行其他过程同时等待键盘的输入—>输入ls。发生I/O中断—>中断处理程序找到等待输入的程序x—>将进程X的阻塞态设为就绪态—>程序x得到数据，系统调用返回继续执行gets（）后的代码。

2、从内存的角度上看：



注：在linux中，物理内存总是被映射在3G以上的空间中，若物理内存过大，需要使用其他的映射技术。

四、实验

理解进程调度时机跟踪分析进程调度与进程切换的过程

设置断点：



单步执行：



通过分析实验中的代码可得到如下结果：

　　　　1、__visible保证任何地方都能够调用这个函数实现进程的切换。具体的调度过程交由__schedule()函数执行。__schedule函数中包含context_switch和pick_next_task函数。

　　　　pick-next-task:包装了调用进程的策略，通过这个函数就能寻找出适当的下一个执行进程

　　　　switch_to是关键上下文切换的相关代码，切换堆栈和寄存器的状态，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。

　　　　context-switch；实现进程上下文切换

　　　　jmp-switch-to，使用寄存器传递参数

　　　　next-ip一般是$if,对于新创建的子进程是ret-from-fork（next是下一个进程的起点）

switch_to代码分析：



总结：

进程调用分为实时进程调度和非实时进程调度两种。前者调度时，可以采用基于动态优先级的轮转法(RR)，也可以采用先进现出算法(FIFO)。后者调度时，一律采用基于动态优先级的轮转法。某个进程采用何种调度算法由改进程的进程控制块中的某些属性决定，没有专门的系统用来处理关于进程调度的相关事宜。 Linux的进程调度由schedule()函数负责，任何进程，当它从系统调用返回时，都会转入schedule()，而中断处理函数完成它们的响应任务以后，也会进入schedule()。总之，就是充分且合理利用CPU，使系统的运行效率更高。