实验八：进程的切换和系统的一般执行过程

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1. 题目自拟，内容围绕对进程调度的时机和进程切换进行；

2. 可以结合关键代码、实验截图、堆栈状态、CPU寄存器状态等；

3. 博客内容中需要仔细分析进程的调度时机、switch_to及对应的堆栈状态等。

4. 总结部分需要阐明自己对“Linux系统一般执行过程”的理解

1.1.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。

1.2.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。

1.3.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

  1. 31#define switch_to(prev, next, last)                   
  2. 32do {                                
  3. 33  /*                             
  4. 34   * Context-switching clobbers all registers, so we clobber 
  5. 35   * them explicitly, via unused output variables.    
  6. 36   * (EAX and EBP is not listed because EBP is saved/restored 
  7. 37   * explicitly for wchan access and EAX is the return value of  
  8. 38   * __switch_to())                    
  9. 39   */                                
  10. 40  unsigned long ebx, ecx, edx, esi, edi;               
  11. 41                                 
  12. 42  asm volatile("pushfl "      /* save    flags */   
  13. 43           "pushl %%ebp "        /* save    EBP   */ 
  14. 44           "movl %%esp,%[prev_sp] "  /* save    ESP   */ 
  15. 45           "movl %[next_sp],%%esp "  /* restore ESP   */ 
  16. 46           "movl $1f,%[prev_ip] "    /* save    EIP   */ 
  17. 47           "pushl %[next_ip] "   /* restore EIP   */    
  18. 48           __switch_canary                  
  19. 49           "jmp __switch_to "  /* regparm call  */ 
  20. 50           "1: "                        
  21. 51           "popl %%ebp "     /* restore EBP   */    
  22. 52           "popfl "         /* restore flags */  
  23. 53                                 
  24. 54           /* output parameters */                
  25. 55           : [prev_sp] "=m" (prev->thread.sp),    
  26. 56             [prev_ip] "=m" (prev->thread.ip),       
  27. 57             "=a" (last),                
  28. 58                                 
  29. 59             /* clobbered output registers: */     
  30. 60             "=b" (ebx), "=c" (ecx), "=d" (edx),     
  31. 61             "=S" (esi), "=D" (edi)            
  32. 62                                      
  33. 63             __switch_canary_oparam               
  34. 64                                 
  35. 65             /* input parameters: */                
  36. 66           : [next_sp]  "m" (next->thread.sp),       
  37. 67             [next_ip]  "m" (next->thread.ip),      
  38. 68                                      
  39. 69             /* regparm parameters for __switch_to(): */  
  40. 70             [prev]     "a" (prev),             
  41. 71             [next]     "d" (next)              
  42. 72                                 
  43. 73             __switch_canary_iparam               
  44. 74                                 
  45. 75           : /* reloaded segment registers */           
  46. 76          "memory");                 
  47. 77} while (0)

2.Linux系统的一般执行过程

2.1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. int 80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

2.2.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；

3.GDB跟踪schedule

schedule -> __schedule()

__schedule() -> pick_next_task()

__schedule() -> context_switch()

context_switch() -> switch_to

流程图：