Linux内核分析:实验八--Linux进程调度与切换
2016-04-16 14:39
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刘畅 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
调度类型又可分为分时调度和优先级调度,分时调度就是为每个进程分配不同的时间片,而优先级调度会从优先队列中选取优先级最高的那个进程调度。需要注意的是,在运行的过程中,进程的优先级会发生变化的。一般来说,执行越长时间的进程,优先级会降低,而等待时间越久进程的优先级会逐渐增加。
进程的调度通过schedule()函数实现的,它是个内核函数,不是用户态函数。所以用户态的进程不能直接调用,只能间接调用,内核线程是只有内核态没有用户态的特殊进程。进程调度发生在下面几种情况下:
1.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.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;
3.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。
schedule()函数主要工作是通过pick_next_task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来进行上下文切换。
pick_next_task函数中就是Linux内核中的进度调度策略了,这里没有深入进去,这篇文章目的在于理清Linux中进程的调度流程。
之前MenuOS中的Mykernel中进程的上下文切换就是一依据这个宏定编写的,它保存前一个进程的esp、ebp、eip的值,并把下一个进程的esp、eip、ebp的值放到CPU相应的寄存器中,这样实现了进程的切换。这段代码是用宏汇编的形式,不熟悉的汇编的情况下看起来很吃力,但要表达的目的很清晰,就是把保存上一个进程的esp、ebp、eip,并且把下一个待调度的进程的上下文置入CPU相应的寄存器中。
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).
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
几种特殊的情况:
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;
内核线程可以通过调用schedule完成进程调度,而用户进程只能通过系统调用或者发生异常时,才能进入内核态来进行schedule调度的。
概述
这篇文章主要分析Linux中,进程调度和上下文切换的过程,会涉及到进度调度的时机和进程的切换执行过程,并通过GDB跟踪Linux的schedule()函数来比较深入的理解一下这个过程。进程调度策略与调度时机
调度策略
操作系统中包含有很多进程调度的算法,内核会依据进程的属性来选择不同的调度策略。进程可以比较粗略的分为:IO密集型的和CPU计算密集型的,为了让计算机的资源有很高的利用率,内核会依据进程的基本属性来选择不同的调度策略。调度类型又可分为分时调度和优先级调度,分时调度就是为每个进程分配不同的时间片,而优先级调度会从优先队列中选取优先级最高的那个进程调度。需要注意的是,在运行的过程中,进程的优先级会发生变化的。一般来说,执行越长时间的进程,优先级会降低,而等待时间越久进程的优先级会逐渐增加。
调度时机
在前面一篇博文分析Linux系统调用的过程中,我们知道在系统调用执行完成之前会调用一次work_pending,也就是说在系统调用执行完成之前可能会发生进程的切换,很显然系统调度是Linux内核进程调度的一个时机。进程的调度通过schedule()函数实现的,它是个内核函数,不是用户态函数。所以用户态的进程不能直接调用,只能间接调用,内核线程是只有内核态没有用户态的特殊进程。进程调度发生在下面几种情况下:
1.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.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;
3.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。
schedule函数概述
schedule函数位于/kernel/sched/core.c文件中,其内核代码描述如下:static void __sched __schedule(void) { struct task_struct *prev, *next; unsigned long *switch_count; struct rq *rq; int cpu; need_resched: preempt_disable(); cpu = smp_processor_id(); rq = cpu_rq(cpu); rcu_note_context_switch(cpu); prev = rq->curr; schedule_debug(prev); if (sched_feat(HRTICK)) hrtick_clear(rq); /* * Make sure that signal_pending_state()->signal_pending() below * can't be reordered with __set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE) * done by the caller to avoid the race with signal_wake_up(). */ smp_mb__before_spinlock(); raw_spin_lock_irq(&rq->lock); switch_count = &prev->nivcsw; if (prev->state && !(preempt_count() & PREEMPT_ACTIVE)) { if (unlikely(signal_pending_state(prev->state, prev))) { prev->state = TASK_RUNNING; } else { deactivate_task(rq, prev, DEQUEUE_SLEEP); prev->on_rq = 0; /* * If a worker went to sleep, notify and ask workqueue * whether it wants to wake up a task to maintain * concurrency. */ if (prev->flags & PF_WQ_WORKER) { struct task_struct *to_wakeup; to_wakeup = wq_worker_sleeping(prev, cpu); if (to_wakeup) try_to_wake_up_local(to_wakeup); } } switch_count = &prev->nvcsw; } if (task_on_rq_queued(prev) || rq->skip_clock_update < 0) update_rq_clock(rq); next = pick_next_task(rq, prev); clear_tsk_need_resched(prev); clear_preempt_need_resched(); rq->skip_clock_update = 0; if (likely(prev != next)) { rq->nr_switches++; rq->curr = next; ++*switch_count; context_switch(rq, prev, next); /* unlocks the rq */ /* * The context switch have flipped the stack from under us * and restored the local variables which were saved when * this task called schedule() in the past. prev == current * is still correct, but it can be moved to another cpu/rq. */ cpu = smp_processor_id(); rq = cpu_rq(cpu); } else raw_spin_unlock_irq(&rq->lock); post_schedule(rq); sched_preempt_enable_no_resched(); if (need_resched()) goto need_resched; }
schedule()函数主要工作是通过pick_next_task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来进行上下文切换。
pick_next_task函数中就是Linux内核中的进度调度策略了,这里没有深入进去,这篇文章目的在于理清Linux中进程的调度流程。
进程上下文的切换
上面一节说道进程通过switch_to来进行上下文的切换,switch_to是一个宏定义,其描述如下:#define switch_to(prev, next, last) \ do { \ /* \ * Context-switching clobbers all registers, so we clobber \ * them explicitly, via unused output variables. \ * (EAX and EBP is not listed because EBP is saved/restored \ * explicitly for wchan access and EAX is the return value of \ * __switch_to()) \ */ \ unsigned long ebx, ecx, edx, esi, edi; \ \ asm volatile("pushfl\n\t" /* save flags */ \ "pushl %%ebp\n\t" /* save EBP */ \ "movl %%esp,%[prev_sp]\n\t" /* save ESP */ \ "movl %[next_sp],%%esp\n\t" /* restore ESP */ \ "movl $1f,%[prev_ip]\n\t" /* save EIP */ \ "pushl %[next_ip]\n\t" /* restore EIP */ \ __switch_canary \ "jmp __switch_to\n" /* regparm call */ \ "1:\t" \ "popl %%ebp\n\t" /* restore EBP */ \ "popfl\n" /* restore flags */ \ \ /* output parameters */ \ : [prev_sp] "=m" (prev->thread.sp), \ [prev_ip] "=m" (prev->thread.ip), \ "=a" (last), \ \ /* clobbered output registers: */ \ "=b" (ebx), "=c" (ecx), "=d" (edx), \ "=S" (esi), "=D" (edi) \ \ __switch_canary_oparam \ \ /* input parameters: */ \ : [next_sp] "m" (next->thread.sp), \ [next_ip] "m" (next->thread.ip), \ \ /* regparm parameters for __switch_to(): */ \ [prev] "a" (prev), \ [next] "d" (next) \ \ __switch_canary_iparam \ \ : /* reloaded segment registers */ \ "memory"); \ } while (0)
之前MenuOS中的Mykernel中进程的上下文切换就是一依据这个宏定编写的,它保存前一个进程的esp、ebp、eip的值,并把下一个进程的esp、eip、ebp的值放到CPU相应的寄存器中,这样实现了进程的切换。这段代码是用宏汇编的形式,不熟悉的汇编的情况下看起来很吃力,但要表达的目的很清晰,就是把保存上一个进程的esp、ebp、eip,并且把下一个待调度的进程的上下文置入CPU相应的寄存器中。
GDB跟踪schedule函数执行过程
GDB跟踪过程跟前几篇文章中叙述的类似,在schedule处设下断点,内核进程切换执行的流程下图所示:Linux系统执行总览
最一般情况: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).
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
几种特殊的情况:
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;
总结
Linux进程的调度和切换是通过schedule函数来实现的,进程的调度和切换是需要时机的,并不是任何时刻都能发生进程的调度、切换的。一般情况下在中断或者异常发生的情况下,Linux会发生进程的切换。内核线程可以通过调用schedule完成进程调度,而用户进程只能通过系统调用或者发生异常时,才能进入内核态来进行schedule调度的。
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