第八节 进程的切换和系统的一般执行过程—— 20135203齐岳

第八节 进程的切换和系统的一般执行过程

By 20135203齐岳

本周的主要内容：

1. Linux中进程调度的基本概念与相关知识
2. schedule函数如何实现进程调度
3. Linux进程的执行过程（一般情况与特殊情况）
4. 宏观描述Linux系统执行

进程切换的主要代码switch_to

进程的调度时机与进程的切换

不同类型进程的不同调度需求

第一种分类：

• I/O-bound：频繁进行I/O，并且需要花费很多时间等待I/O完成

• CPU-bound：计算密集，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，常在后台进行；不必很快响应（典型的批处理系统：编译程序、科学计算）。

• 实时进程：有实时需求，不应被低优先级进程阻塞，响应时间短、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，因此要花很多时间等待用户输入操作，响应时间要快，平均延迟要低（典型的交互式程序：shell、文本编辑程序、图形应用程序）。

Linux中的进程调度

调度策略：是决定什么时候以怎样的方式选择一个新进程运行的规则。Linux中的调度是多种策略和调度算法的组合。

Linux既支持普通的分是进程。也支持实时进程。Linux的调度基于分时和优先级。

Linux根据进程的优先级进行排队

• 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行为的周期性调整进程的优先级。（较长时间未分配到CPU的进程优先级升高，已在CPU上运行了较长时间的进程优先级下降）

内核中的调度算法相关代码使用了类似OOD中的策略模式，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。不需要理解这种策略，对我们对于内核的理解并没有帮助。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。

schedule函数

schedule函数：实现调度，在队列中自傲一个进程把CPU分配给它。

调用方法：

• 直接调用schedule()
• 松散调用，根据need_resched标记

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（内核线程是只有内核态而没有用户态的特殊进程）。

• 用户态进程只能被动调度，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。

进程上下文切换相关代码分析

进程的切换

进程切换（任务切换、上下文切换）：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，

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；而进程切换是在不同的进程之间进行调度。

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，中断：保存现场&恢复线程；进程调度：switc_to的机制）

schedule()函数实现方法

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);//封装了使用的某种进程调度策略，选择一个进程作为next

• context_switch(rq, prev, next);//实现进程上下文切换

• switch_to切换寄存器的状态和堆栈，利用两个参数：prev指向当前进程，next指向被调度的进程

    #define switch_to(prev, next, last)
    do {       
    unsigned long ebx, ecx, edx, esi, edi;          
    
    asm volatile(
         "pushfl
  	"      #保存当前进程的flags 
         "pushl %%ebp
  	"        #当前进程的堆栈基址压栈 
  
    	 //以下这两句实际上是实现了内核堆栈的切换，之后的所有压栈动作都是在next的内核堆栈中实现 
         "movl %%esp,%[prev_sp]
  	"  #把当前的栈底保存到prev_sp 
         "movl %[next_sp],%%esp
  	"  #把下一个进程的栈顶放入esp寄存器当中
  
         "movl $1f,%[prev_ip]
  	"  #保存当前进程的eip，在恢复当前进程的时候从这里恢复
    	 "pushl %[next_ip]
  	"   #把next进程的起点压入栈，next进程的栈顶就是它的起点
    	 //如果是进程切换这里一般是$1f,如果是新创建的子进程这里是ret_from_fork	
  
         __switch_canary   
           
    	//这里使用jmp，因此是通过寄存器传递参数（$1f）；如果是call的话直接ret
         "jmp __switch_to
  "  #通过寄存器传递参数
         "1:	"  #prev进程的起始点 
         
    	 //恢复prev进程的上下文执行环境        
         "popl %%ebp
  	"     #ebp出栈    
         "popfl
  "            #flags出栈
  
    	/* output parameters */                
         : [prev_sp] "=m" (prev->thread.sp),   #当前进程内核堆栈的栈底  
           [prev_ip] "=m" (prev->thread.ip),   #当前进程的eip    
           "=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),       #下一个内核堆栈的栈底
           [next_ip]  "m" (next->thread.ip),       #下一个进程执行的起点
                               
           //为进程切换做准备  
           [prev]     "a" (prev),              
           [next]     "d" (next)               
                              
           __switch_canary_iparam                
                                
         : /* reloaded segment registers */           
        "memory");                  
    } while (0)
  

以自己的理解并用图示表示如下：

Linux系统的一般执行过程

一般进程切换的过程

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(当前进程CPU的状态压入用户态进程X的内核堆栈) load cs:eipss:esp(加载中断服务例程和内核堆栈)。
3. 进入中断处理进程，首先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 恢复进程X的执行状态
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，比 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；

Linux系统架构和执行过程概览

操作系统的基本概念

任何计算机系统都包含一个基本的程序集合，称为操作系统。

• 内核（进程管理，进程调度，进程间通讯机制，内存管理，中断异常处理，文件系统， I/O
  系统，网络部分）

• 其他程序（例如函数库、 shell程序、系统程序等等）

操作系统的目的

• 与硬件交互，管理所有的硬件资源

• 为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行
  环

从CPU的角度看Linux的系统执行

1. 从shell中得到一个命令，一个字符串c，c=gets()是一个系统调用，从用户态的堆栈进入内核

2. CPU等待用户输入命令的过程，会切换到其他的进程执行，涉及到进程调度。

3. 在键盘上敲击了一个命令，键盘发生I/O中断，调用中断处理程序。此时得到了一个输入的参数，则会唤醒刚才由于等待而进入阻塞状态的进程进入就绪状态。

4. 中断处理过程会出现进程调度的时机，它可能会把进程X作为next进程来执行，这时进程管理就会切换到进程X。然后gets系统调用就获得了需要从键盘中读取的数据，然后返回到用户态。

5. 重复这个过程，完成不同的操作指令

从内存的角度看Linux的系统执行

物理内存和虚拟之间的映射关系：

实验——跟踪调试schedule函数

• 进入虚拟机环境，启动内核，并进入调试状态

• 在schedule处设置断点，c继续执行。

• 单步执行直到遇到__schedule函数，进入其中查看

• 继续执行，发现context_switch函数

• 设置断点后，进入其内部查看，发现内核切换的重点代码
  ​

（具体代码运行过程可与上文对照并结合分析一并查看便于理解。）

参考资料

【原创作品转载请注明出处】

1. 《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000