Linux内核分析之八——进程调度与进程切换的过程

作者：姚开健

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

1、进程调度的时机

在Linux系统中，进程调度一般发生在中断处理过程中（包括时钟中断，I/O中断，系统调用和异常），直接调用schedule（）系统调用，或者返回用户态时根据need_resched标记调用schedule()。进程调度可以主动调度，也可以被动调度。

内核线程（特殊的进程，没有用户态）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。schedule（）调用实现如下：

asmlinkage __visible void __sched schedule(void)
2866{
2867 struct task_struct *tsk = current;
2868
2869 sched_submit_work(tsk);
2870 __schedule();
2871}其中__schedule（）函数调用会执行一些进程调度详细工作，包括，

next = pick_next_task(rq, prev);

选择一个进程来调度，选择一个进程的调度算法的实现都在pick_next_task中，不过算法在这里并不重要，不管什么算法其作用都是选择一个进程来切换。在选择了一个进程后，那么接下来要进行进程的切换。

2、进程切换

在__schedule（）函数中，选择了一个进程准备切换后，接着要调用context_switch（）来进行进程上下文的切换。其实现如下：

static inline void
2336context_switch(struct rq *rq, struct task_struct *prev,
2337 struct task_struct *next)
2338{
2339 struct mm_struct *mm, *oldmm;
2340
2341 prepare_task_switch(rq, prev, next);
2342
2343 mm = next->mm;
2344 oldmm = prev->active_mm;
2345 /*
2346 * For paravirt, this is coupled with an exit in switch_to to
2347 * combine the page table reload and the switch backend into
2348 * one hypercall.
2349 */
2350 arch_start_context_switch(prev);
2351
2352 if (!mm) {
2353 next->active_mm = oldmm;
2354 atomic_inc(&oldmm->mm_count);
2355 enter_lazy_tlb(oldmm, next);
2356 } else
2357 switch_mm(oldmm, mm, next);
2358
2359 if (!prev->mm) {
2360 prev->active_mm = NULL;
2361 rq->prev_mm = oldmm;
2362 }
2363 /*
2364 * Since the runqueue lock will be released by the next
2365 * task (which is an invalid locking op but in the case
2366 * of the scheduler it's an obvious special-case), so we
2367 * do an early lockdep release here:
2368 */
2369 spin_release(&rq->lock.dep_map, 1, _THIS_IP_);
2370
2371 context_tracking_task_switch(prev, next);
2372 /* Here we just switch the register state and the stack. */
2373 switch_to(prev, next, prev);
2374
2375 barrier();
2376 /*
2377 * this_rq must be evaluated again because prev may have moved
2378 * CPUs since it called schedule(), thus the 'rq' on its stack
2379 * frame will be invalid.
2380 */
2381 finish_task_switch(this_rq(), prev);
2382}pre参数是当前要被切换的进程，next参数是选出来进行切换的进程，在该函数中，调用了switch__to（）函数进行堆栈的更换：

#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)
78其中

"pushfl\n\t"		/* save    flags */	\
43		     "pushl %%ebp\n\t"		/* save    EBP   */	\
44		     "movl %%esp,%[prev_sp]\n\t"	/* save    ESP

先保存了被切换进程的CPU执行信息，包括标志位，栈底指针和栈顶指针，接着保存被切换进程的被切换回来时的执行地址即eip，还初始化了准备执行的进程的eip：

"movl $1f,%[prev_ip]\n\t"	/* save    EIP   */	\
47		     "pushl %[next_ip]\n\t"	/* restore EIP   */

假如这个新进程是曾经被切换过的进程的话，新的进程将从标号1处开始执行，把之前压栈的指针和标志位恢复。

"1:\t" \
51 "popl %%ebp\n\t" /* restore EBP */ \
52 "popfl\n" /* restore flags */ \
53 \

总结

Linux中，一个运行的用户态进程X发生了中断，需要切换到内核态，于是需要把用户态的堆栈压入内核态堆栈，接着CPU保存现场。如果在中断
4000
处理过程中或者中断返回前调用了schedule（），其中的switch_to做了关键的进程上下文切换。新的用户态进程Y从上述汇编代码的标号1处开始执行（假设进程Y曾经被切换过），接着进程Y恢复它的CPU现场，并且将之前保存在内核态堆栈的信息压回用户态堆栈，继续运行用户态进程Y，这就是Linux一般的进程调度与切换机制。

在通过中断处理来进行进程调度的时机中，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；内核线程切换之间，主动调用schedule（），只有进程上下文之间的切换，没有中断上下文的切换。