进程调度与进程切换的过程分析

一、实验过程

1.打开终端，与前几次实验相同，输入命令cd Linux/menu进入到menu目录下，然后输入命令qemu -kernel ../linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd ../rootfs.img -s -S启动MENUOS ，然后打开gdb，输入命令file ../linux-3.18.6/vmlinux加载符号表，然后如何命令target remote :1234连接MENUOS，并在schedule、context_switch、switch_to三个函数处设置断点。实验结果如图1所示。



图 1

2. 然后利用gdb的命令c、n、s、l等进行调试，我们可以看到，首先执行了函数schedult(),实验结果如下图所示。



图 2

输入命令c进行继续调试，我们可以看到进程在context_switch()函数处停止，实验结果如图3所示。



图 3
继续进行调试，我们从图4可以看到进程在schedule()处暂停，实验结果如图4所示。



图 4

继续调试。



图 5
利用命令s进行单步调试。



图 6

二、进程的调度时机与进程的切换分析

1. 进程调度的时机有如下可能

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()进行切换，也可以在中断处理过程中调用，也就是说内核线程作为一类特殊的线程可以主动调度，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。

2. 进程的切换

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。

3. 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

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)  //进程调度算法都封装这个函数内部

context_switch(rq,prev,next)
//进程上下文

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。

3. switch_to()函数中的汇编代码如下
#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)

5. 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。

6. 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。

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。

7.典型的Linux操作系统的结构如图7所示。





图 7

8. 一个shell命令执行的过程如图8所示。



图 8

9. CPU执行指令的过程如图9所示。



图 9
10. 站在内存的角度来看如图10所示。



图 10

三、总结

1.  从schedule()开始，几种不同类型的进程之间的调度选择;在相同类型的进程之间的调度选择算法。

2.  从CPU的IP值的变化上，说明在switch_to宏执行后，执行分析。

3. 堆栈发生切换位置，在切换堆栈前后，current_thread_info变化。

4. 地址空间发生切换，解释地址空间的切换不会影响后续切换代码的执行。

5. current宏所代表的进程发生变化的源码位置。

6. 任务状态段中关于内核堆栈的信息发生变化源码位置。