• 20135239 益西拉姆 linux内核分析 进程的切换和系统的一般执行过程


    week 8 进程的切换和系统的一般执行过程

    【 20135239 原文请转载请注明出处 《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

    一、进程调度与进程调度的时机分析

    • 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。
    • 不同类型的进程有不同的调度需求
    • 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
        • 不必与用户交互,通常在后台运行
        • 不必很快响应
        • 典型的批处理程序:编译程序、科学计算
      • 实时进程
        • 有实时要求,不应被低优先级的进程阻塞
        • 响应时间要短、要稳定
        • 典型的实时进程:视频/音频、机械控制等
      • 交互式进程
        • 需要经常与用户交互,因此要花很长时间等待用户输入操作
        • 响应时间要快,平均延迟要低于50~150ms
        • 典型的交互式程序:shell、文本编辑程序、图形应用程序等
    • Linux既支持普通的分时进程,也支持实时进程

    • Linux中的调度是多种调度策略和调度算法的混合
    • 什么事调度策略?
      • 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
    • Linux的调度基于分时和优先级
      • 随着版本的变化,分时技术在不断变化
    • Linux的进程根据优先级排队
      • 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
      • 调度程序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,通常往上
        • 已经在CPU上运行了较长时间的进程通常往下
    • 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
    • ****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。

    • 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
    • 内核线程可以主动调度也可以被动调度

    二、进程上下文代码的相关分析

    • 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contextswitch进行上下文的切换,这个宏调用switchto来进行关键上下文切换

      • next = picknexttask(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

      • switchto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 ```1. 31#define switchto(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 * _switchto())
    • 39 */
    • 40 unsigned long ebx, ecx, edx, esi, edi;
    • 41
    • 42 asm volatile("pushfl " /* save flags */
    • 43 "pushl %%ebp " /* save EBP */
    • 44 "movl %%esp,%[prev_sp] " /* save ESP */
    • 45 "movl %[next_sp],%%esp " /* restore ESP */
    • 46 "movl $1f,%[prev_ip] " /* save EIP */
    • 47 "pushl %[next_ip] " /* restore EIP */
    • 48 _switchcanary
    • 49 "jmp _switchto " /* regparm call */
    • 50 "1: "
    • 51 "popl %%ebp " /* restore EBP */
    • 52 "popfl " /* 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 switchcanaryoparam
    • 64
    • 65 /* input parameters: */
    • 66 : [next_sp] "m" (next->thread.sp),
    • 67 [next_ip] "m" (next->thread.ip),
    • 68
    • 69 /* regparm parameters for _switchto(): */
    • 70 [prev] "a" (prev),
    • 71 [next] "d" (next)
    • 72
    • 73 switchcanaryiparam
    • 74
    • 75 : /* reloaded segment registers */
    • 76 "memory");
    • 77} while (0)

    • nextip一般是¥1f,对于新创建的子进程是retfrom_fork

    三、Linux系统的一般执行过程分析

    • 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

      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
    • 中断上下文的切换和进程上下文的切换

    四、Linux系统执行过程中的几个特殊情况

    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;(nextip = retfrom_fork)

    • 加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况,如execve;

    五、内核与舞女

    内核是各种中断处理过程和内核线程的组合。

    六、Linux操作系统架构概览

    • 操作系统的基本概念

    • 典型的Linux操作系统的结构

    • 最简单也是最复杂的操作

    • 站在CPU执行指令的角度

    • 从内存的角度来看

    七、最简单也是最复杂的操作--执行ls命令

    • 在控制台下输入ls命令

    • shell程序分析输入参数,确定这是ls命令

    • 调用系统调用fork生成一个shell本身的拷贝
        • 什么是系统调用?----->>内存保护,内核态用户态相关问题
        • 系统调用是怎么实现的?--->>软中断、异常的概念、陷阱门、系统门
        • fork是什么?---->>>进程的描述、进程的创建
        • 为什么要调用fork--->COW技术
    • 调用exec系统调用将ls的可执行文件装入内存
    • 从系统调用返回

      • 如何做到正确的返回?
    • shell和ls都得以执行-->>进程调度,运行队列等待队列的维护

    八、从CPU和内存的角度看Linux系统的执行

    1. 执行gets()函数;
    2. 执行系统调用,陷入内核;
    3. 等待输入,CPU会调度其他进程执行,同时wait一个I/O中断;
    4. 敲击ls,发I/O中断给CPU,中断处理程序进行现场保存、压栈等等;
    5. 中断处理程序发现X进程在等待这个I/O(此时X已经变成阻塞态),处理程序将X设置为WAKE_UP;
    6. 进程管理可能会把进程X设置为next进程,这样gets系统调用获得数据,再返回用户态堆栈

    1. 从内存角度看,所有的物理地址都会被映射到3G以上的地址空间:因为这部分对所有进程来说都是共享的

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