理解进程调度时机跟踪分析进程调度与进程切换的过程

悠悠 2022-07-29 11:58 233阅读 0赞

作者：王鹤楼  
原创作品转载请注明出处 《Linux内核分析》MOOC课程  
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# 进程的调度时机与进程的切换 #

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。

## 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。

## 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）  
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

31#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)

# 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；

# 实验 #

进入到实验楼环境执行

cd LinuxKernel
    rm -rf menu
    git clone https://github.com/mengning/menu.git
    cd menu
    mv test_exec.c test.c
    make rootfs
    qemu -kernel ../linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd ../rootfs.img -S -s

另起一shell设置断点

//启动gdb
    gdb
    //加载符号表
    file ../linux-3.18.6/vmlinux
    //设置端口
    target remote:1234
    //设置断点
    b schedule
    b context_switch
    b switch_to
    b pick_next_task

![这里写图片描述][20160417164504390]

![这里写图片描述][20160417164517639]

![这里写图片描述][20160417164534813]

![这里写图片描述][20160417164545061]

# 实验分析： #

通过实验可知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。

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[20160417164504390]: /images/20220724/d3f8343c6ffb4e4d9d303e8fb8499320.png
[20160417164517639]: /images/20220724/2298a0b82fa94112802fee5517462bec.png
[20160417164534813]: /images/20220724/e1ac4dc01cab4e43857cb059a849c5f5.png
[20160417164545061]: /images/20220724/e6073f1527124898897524ce65eb963d.png