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余星光 + 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、原理分析
1、进程的调度时机与进程切换
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。对于理解操作系统的工作机制，反而是进程的调度时机与进程的切换机制更为关键。
2、进程调度的时机
（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。
3、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
#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)
最一般的情况：正在运行的用户态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
几种特殊的情况：
（1）通过终端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；
二、实验内容
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正确；
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；
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。
三、实验过程
打开虚拟机，输入如下命令：
cd LinuxKernel
rm menu -rf
git clone https://github.com/mengning/menu.git
cd menu
mv test_exec.c test.c
make rootfs
然后在终端输入：qemu -kernel ../linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -inird rootfs.img -s -S
另开一个shell终端，输入如下命令：
gdb
file linux-3.18.6/vmlinux
target remote:1234
b schedule
c
然后跟踪调试，可以详细浏览switch_to等函数的执行过程
schedule()函数主要处理过程为：
1、针对抢占的处理
2、raw_spin_lock_irq(&rq->lock);
3、检查prev的状态，并且重设state的状态
4、next = pick_next_task(rq, prev); //进程调度算法
5、更新就绪队列的时钟
6、context_switch(rq, prev, next); //进程上下文切换
schedule()函数用来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，其中pick_next_task()函数封装了进程调度算法。
switch_to实现了进程之间的真正切换：
（1）首先在当前进程prev的内核栈中保存esi, edi及ebp寄存器的内容。
（2）然后将prev的内核堆栈指针ebp存入prev->thread.esp中
（3）把将要运行进程next的内核栈指针next->thread.esp赋给esp寄存器
（4）将popl指令所在的地址保存在prev->thread.eip中，这个地址就是prev下一次被调度的地址
（5）jmp转入__switch_to()函数
（6）恢复next上次被调离时堆栈内容，next进程就成为当前进程开始执行。
四、实验总结
通过本次课程的学习，我对进程调度时机及进程调度与进程切换的过程有了一定的认识。进程调度的时机：中断处理过程中，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，即内核线程作为一类特殊的进程可以主动调度，也可别动调度；用户态进程无法实现主动调度，只能在中断处理过程中进行调度。进程切换：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来进行关键上下文的切换。
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原文地址：http://blog.csdn.net/on_fighting/article/details/51168145
