Linux内核分析——进程的切换和系统的一般执行过程

张瑜
《Linux内核分析》MOOC课程 http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000[/code] 
一、理解Linux系统中进程调度的时机:

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()；

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；

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。

二、使用gdb跟踪分析一个schedule()函数：



schedule()函数和__schedule()函数：



context_switch()：



switch_to宏定义：



三、Linux系统进程调度与进程切换过程的理解：

<1>调度的发生主要有两种方式：

1：主动式调度(自愿调度)

在内核中主动直接调用进程调度函数schedule()，当进程需要等待资源而暂时停止运行时，会把状态置于挂起（睡眠），并主动请求调度，让出cpu。

2：被动式调度（抢占式调度、强制调度）

用户抢占和内核抢占

(1)用户抢占发生在：从系统调用返回用户空间和从中断处理程序返回用户空间。

(2)内核抢占：在不支持内核抢占的系统中，进程/线程一旦运行于内核空间，就可以一直执行，直到它主动放弃或时间片耗尽为止。这样一些非常紧急的进程或线程将长时间得不到运行。

<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，只是用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（注意中断也要保存硬件上下文知识保存的方法不同）

（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);//进程调度算法都封装这个韩红素

context_switch(rq, prev, next);//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

四、分析switch_to中的汇编代码，理解进程上下文的切换机制，以及与中断上下文切换的关系：

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

分析汇编代码：

*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

asm volatile(“pushfl\n\t”         \

43           “pushl %�p\n\t”         \将当前进程的堆栈基址压栈

44           “movl %%esp,%[prev_sp]\n\t”   \把当前的栈顶保存起来，保存到thread.sp

45           “movl %[next_sp],%%esp\n\t”   \把下个进程的栈顶放到esp寄存器里面

（44、45完成了内核堆栈的切换）

46           “movl $1f,%[prev_ip]\n\t”     \保存当前进程的eip

47           “pushl %[next_ip]\n\t”       \将下一个进程的起点压到堆栈中来

next进程的栈顶就是它的起点

48           __switch_canary                   \

49           “jmp __switch_to\n”   \

（46-49使用的都是next进程堆栈，但还是在prev进程中执行）

50           “1:\t”                        \开始执行next进程的第一条指令

51           “popl %�p\n\t”         \pop的原因是因为next进程作为prev进程是曾经push过

52           “popfl\n”

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（注意中断也要保存硬件上下文只是保存的方法不同）

五、对“Linux系统一般执行过程”的理解：

Linux系统中，一个进程的一般执行过程：

即从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int 0x80

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

8）继续运行用户态进程Y

这里有几个特殊情况：

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；

1）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；

2）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；

3）加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况，如execve。