LINUX内核分析第八周学习总结——进程的切换和系统的一般执行过程

黄韧（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

一、知识概要

1. Linux中进程调度的基本概念与相关知识
2. schedule函数如何实现进程调度
3. Linux进程的执行过程（一般情况与特殊情况）
4. 宏观描述Linux系统执行

二、学习笔记

（一）进程切换的关键代码switch_to分析

进程进度与进程调度的时机分析

1.不同类型的进程有不同的调度需求。

2.第一种分类：

• I/O-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时间进行运算。

第二种分类：

• 批处理进程 
• 实时进程
• 交互式进程  shell

3.什么是调度策略？

是一组规则，他们决定什么时候以怎样的方式选择一个新进程运行。

4.Linux的进程根据优先级排队

5.Linux进程的优先级是动态的

6.内核中的调度算法相关代码使用了类似OOD中的策略模式。将调度算法与其他部分耦合了。

7.进程调度的时机：schedule()函数实现调度。

• 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。

用户态进程只能被动调度。

内核线程是只有内核态没有用户态的特殊进程。

进程上下文切换相关代码分析

• 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）

• 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

具体看一下schedule函数：

点击进入：

具体怎样切换的呢，点击查看：

找到switch_to的汇编：

汇编代码分析：

• 42：保存当前进程的flags
• 43：把当前进程的堆栈基址压栈
• 44：把当前的栈顶保存起来
• 45：把下一进程栈顶放入esp寄存器 完成内核堆栈切换
• 46：保存当前进程的eip，再恢复时用
• 47：下一进程栈顶是起点。next_ip一般是$1f，对于新创建的子进程是ret_from_fork
• 49:  通过寄存器传递参数
• 50：认为是next进程开始了 46~49模糊地带

 

（二）Linux系统的一般执行过程

 

Linux系统的一般执行过程分析

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Y2

Linux系统执行过程中的几个特殊情况

我们一旦抽象过的东西，都不一定是准确的，还有几种特殊情况：

• 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；

（三）Linux系统架构和执行过程概览

Linux操作系统架构概览

1.操作系统的基本概念

2.操作系统的目的

3.典型操作系统架构

最简单也是最复杂的操作——执行ls操作

从CPU和内存的角度看Linux系统的执行

1.站在CPU执行指令的角度

 

2.从内存的角度来看

三、课后作业

理解进程调度时机跟踪分析进程调度与进程切换的过程

1.理解Linux系统中进程调度的时机，可以在内核代码中搜索schedule()函数，看都是哪里调用了schedule()，判断我们课程内容中的总结是否准确； 

           见（一）进程切换的关键代码switch_to分析 进程上下文切换相关代码分析部分

2.使用gdb跟踪分析一个schedule()函数 ，验证您对Linux系统进程调度与进程切换过程的理解；推荐在实验楼Linux虚拟机环境下完成实验。 

（1）开启qemu以及gdb：

（2）设置断点：

（3）按c继续，可以发现core.c里面调用了schedule()。

（4）用list查看代码

（5）单步执行发现__schedule()

（6）进入函数：

（6）继续单步执行直到发现pick_nexi_task()：

（7）继续单步执行，直到发现context_switch：

（8）无法进入函数内部。所以设置了一个新的断点

（9）之后继续执行，可以进入context_switch()函数并发现了switch_to()和__switch_to()

（10）完成跟踪。

3.特别关注并仔细分析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；

           见（一）进程切换的关键代码switch_to分析 进程上下文切换相关代码分析部分 之汇编代码分析