2020-2021-1 20209316《Linux内核原理与分析》第九周作业
《Linux内核原理与分析》第九周作业
| 这个作业属于哪个课程 | <2020-2021-1Linux内核原理与分析）> |
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| 这个作业要求在哪里 | <2020-2021-1Linux内核原理与分析第九周作业> |
| 这个作业的目标 | <理解进程调度时机跟踪分析进程调度与进程切换的过程> |
| 作业正文 | https://www.cnblogs.com/camusxd/p/14092931.html |
一、实验八：进程调度相关源代码跟踪和分析
1、重新克隆一个menu,然后编译内核
2、打开调试模式，另打开一个窗口进行gdb调试，并设置断点
3、使用gdb跟踪分析schedule()函数，按c执行，停在schedule函数断点处。
4、pick_next_task断点处某种调度策略和调度算法选择了下一个进程来切换，context_switch断点处用来实现进程的切换。
二、知识学习
1.阐释linux操作系统的整体构架
首先，Linux系统包含一个内核，内核，实质是一个软件，特殊的地方在于，内核具备直接操纵CPU资源，内存资源，I/O资源等的能力。
内核之外是系统调用。系统调用这层，相当于内核增加了一层封装。将内核操作的复杂性封装起来，对外层提供透明的调用。系统调用可以理解为操作系统的最小功能单位，所有有应用程序，都是将通过将系统调用组合而成的。
系统调用之外，就是应用程序，各种各样的应用程序。特殊的有两个，一个是Shell，它是一个特殊的应用程序，俗称命令行。类似于windows的cmd，是一个命令解释器。有些应用程序是基于Shell做的，而不是基于系统调用。另一个特殊的是公用函数库。系统调用是操作系统的最小功能单位，一个Linux系统，根据版本不同，大约包含240~260个系统调用。为了使得操作更为简单，更加便于应用程序使用，Linux系统对系统调用的部分功能进行了再次封装，形成了公用函数库，以供应用程序调用。公用函数库中的一个方法，实质是若干个系统调用以特定的逻辑组合而成。
2.理解linux系统的一般执行过程和进程调度的时机
2.1 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
2.2 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；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；
2.3 内核与舞女 - 3G仅内核态可以访问
2.4 进程调度的时机
linux内核通过schedule函数实现进程调度，schedule函数在运行队列中找到一个进程，把CPU分配给它。调用schedule函数一次就是调度一次。调用schedule函数的时候就是进程调度的时机。
调用schedule函数有两种方法： - 进程主动调用schedule（）
- 松散调用
进程调度时机如下： - 用户进程通过特定的系统调用主动让出CPU
- 中断处理程序在内核返回用户态时进行调度
- 内核线程主动调用schedule函数让出CPU
- 中断处理程序主动调用schedule函数让出CPU，涵盖第一和第二种情况
- Linux内核中没有操作系统中定义的线程概念，从内核角度看，不管是进程还是内核线程都对应一个task_struct数据结构，本质上都是进程，linux系统在用户态实现的线程库pthread是通过在内核中多个进程共享一个地址空间实现的。
一般来说，cpu在任何时刻都处于以下3种情况之一： - 运行于用户空间，执行用户进程上下文
- 运行于内核空间，处于进程（一般是内核线程）上下文
- 运行于内核空间，处于中断上下文。
内核线程以进程上下文的形式运行在内核空间中，本质上还是进程，但是它还有调用内核代码的权限，比如主动调用schedule函数让出cpu等
三、反思总结
进程提供了两种优先级，一种是普通的进程优先级，第二个是实时优先级。前者适用SCHED_NORMAL调度策略，后者可选SCHED_FIFO或SCHED_RR调度策略。任何时候，实时进程的优先级都高于普通进程，实时进程只会被更高级的实时进程抢占，同级实时进程之间是按照FIFO（一次机会做完）或者RR（多次轮转）规则调度的。
首先，说下实时进程的调度
实时进程，只有静态优先级，因为内核不会再根据休眠等因素对其静态优先级做调整，其范围在0MAX_RT_PRIO-1间。默认MAX_RT_PRIO配置为100，也即，默认的实时优先级范围是099。而nice值，影响的是优先级在MAX_RT_PRIO~MAX_RT_PRIO+40范围内的进程。
不同与普通进程，系统调度时，实时优先级高的进程总是先于优先级低的进程执行。知道实时优先级高的实时进程无法执行。实时进程总是被认为处于活动状态。如果有数个 优先级相同的实时进程，那么系统就会按照进程出现在队列上的顺序选择进程。假设当前CPU运行的实时进程A的优先级为a，而此时有个优先级为b的实时进程B进入可运行状态，那么只要b<a，系统将中断A的执行，而优先执行B，直到B无法执行（无论A，B为何种实时进程）。
不同调度策略的实时进程只有在相同优先级时才有可比性：
1. 对于FIFO的进程，意味着只有当前进程执行完毕才会轮到其他进程执行。由此可见相当霸道。
2. 对于RR的进程。一旦时间片消耗完毕，则会将该进程置于队列的末尾，然后运行其他相同优先级的进程，如果没有其他相同优先级的进程，则该进程会继续执行。
总而言之，对于实时进程，高优先级的进程就是大爷。它执行到没法执行了，才轮到低优先级的进程执行。等级制度相当森严啊。