进程的切换和系统的一般执行过程

第一部分

理解进程的调度时机与进程的切换

Linux进程调度是基于分时和优先级的。所谓的分时就是指将时间划分成很小很小的片段，然后每个片段都相对公平的分给这一时刻需要执行的任务。

不同类型的进程有不同的调度需要

第一种分类：I/O-bound、CPU-bound；第二种分类：批处理过程、实时进程、交互式进程；

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。从理解Linux内核的角度来看，可以抽象理解调度算法从运行队列选出了一个进程作为next进程。

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。

进程的切换

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（注意中断也要保存硬件上下文只是保存的方法不同）

调度进程的时机——schedule()是一个内核函数而不是一个系统调用

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

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

图1 gdb跟踪进程调度



图2 gdb跟踪进程上下文切换



图3 gdb跟踪到switch_to

//switch_to来进行关键上下文切换
1）保存当前进程的flags状态和当前进程的ebp
　　"pushfl\n\t"                  // save flags
　　"pushl %%ebp\n\t"             // save EBP
2）完成内核堆栈的切换
　　 "movl %%esp,%[prev_sp]\n\t"  // save ESP
　　 "movl %[next_sp],%%esp\n\t"  // restore ESP
3）保存eip的值
　　"movl $1f,%[prev_ip]\n\t"     // save EIP 标号“1”所在的地址保存到prev->thread.ip，这个地址就是prev下一次被调度运行而切入时的“返回”地址。
　　"pushl %[next_ip]\n\t"        // restore EIP 将新的EIP压入*新的栈顶中*。
4）jmp __switch_to // 让参数不压入堆栈，而是使用寄存器传值，来调用__switch_to eax存放prev,edx存放next
[prev]     "a" (prev)
[next]     "d" (next)

第二部分

Linux系统一般执行过程

总结：

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

- 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

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；

内核是各种中断处理过程和内核线程的集合

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