Linux------进程的切换和系统的一般执行过程

王雪 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、基础知识

（1）进程切换的关键代码分析

1.调度策略

调度策略是一组规则，它们决定什么时候以怎样的方式选择一个新进程运行，无论何种策略，都是从运行队列中选出一个进程作为next来执行，Linux内核中的调度算法相关代码使用了类似OOD中的策略模式。

2.Linux的进程调度

既支持普通的分时进程，也支持实时进程

Linux的调度基于分时和优先级

根据特定的算法计算出进程的优先级，用一个值表示

这个值表示把进程如何适当的分配给CPU

Linux中进程的优先级是动态的（调度进程会根据进程的行为周期性的调整进程的优先级）

较长时间未分配到CPU的进程，通常↑

已经在CPU上运行了较长时间的进程，通常↓

设置/配置优先级：

常见的系统调用：nice、getpriority、setpriority…

3.进程调度的时机——schedule()函数实现调度

目的：在运行队列中找到一个进程，把CPU分配给它

调用方法：

直接调用schedule()函数

松散调用，根据need_resched标记

调用时机

用户态进程通过中断处理过程（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()（用户态进程只能被动调用），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。

内核线程（只有内核态，没有用户态的特殊进程）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程调度，也就是说内核线程作为一类特殊d的进程可以主动调用也可以被动调用。

4.进程上下文切换相关代码分析

（1）进程上下文切换与中断保存现场的区别

进程上下文切换的是两个不同的进程，而保存和恢复现场是在同一个进程中的工作。

（2）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）

（3）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。

（4）关键语句

next = pick_next_task(rq, prev);
//进程调度算法都封装这个函数内部，包装了其使用哪种进程调度策略

context_switch(rq, prev, next);
//进程上下文切换
prepare_task_switch(rq, prev,
4000
next);
//提前准备
switch_to(prev, next, prev);
//切换堆栈和寄存器状态

output：
　[prev_sp] "=m" (prev->thread.sp), //当前进程，内核堆栈的栈顶
　[prev_ip] "=m" (prev->thread.ip),//当前进程的eip
input：
　[next_sp]  "m" (next->thread.sp),//下一个进程的内核堆栈的栈顶
[next_ip]  "m" (next->thread.ip),//下一个进程的执行起点

完成了内核堆栈的切换，之后所有动作都在next内核堆栈中进行。

next_ ip一般是$if，对于新创建的子进程是ret_ from_fork。

jmp __ switch _to通过寄存器传递参数。

（2）Linux系统的一般执行过程

1）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

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

注意：

1.中断和中断返回的过程中，有CPU上下文的切换

2.进程调度的过程中，有进程上下文的切换，是进程内核堆栈的切换

2）Linux系统执行过程中的几个特殊情况

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，不存在用户态到内核态的权限变化；

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（ret_ from_ fork）及返回用户态，如fork（next_ ip=ret_ from_fork）

加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况，如execve

（3）内核的地址空间（类似出租车）

1.2位x86系统下，每个进程大小为4G，0~3G用户态可以访问，3G以上只有内核态可以访问。

2.所有进程3G以上的地址空间是共享的，内核是各种中断处理过程和内核线程的集合，任何进程都可以陷入到内核态，然后返回到用户态

3.内核——出租车，进程——乘客

二、Linux架构和执行过程概览

1、Linux操作系统架构概览



硬件资源最关键的是CPU和内存

2、Linux操作系统的架构



执行ls命令——最简单也是最复杂的操作



其中：系统调用本身也是一种特殊的中断，通过int 0x80进入内核态

COW（copy or write）写时复制

从CPU和内存的角度看Linux系统的执行



三、实验部分——理解并验证进程调度时机跟踪分析进程调度与进程切换的过程

进行在gdb下执行调试步骤

1、搭建环境



2、加载符号表并连接到端口1234



3、设置断点：schedule、context_switch、switch_to，其中switch_to 要明确位置



4、继续运行到断点1



5、继续运行到断点2



6、继续运行到断点3



找到了switch_to,切换的位置

四、实验总结——理解进程调度时机与内核处理的过程

这次实验主要讲述了在Linux系统是如何进行进程切换的，进程的管理（如：挂起一个正在运行的进程，转而去运行一个新的进程）是操作系统基本功能之一，这部分知识感觉稍微有点难，应重点理解！