进程的切换和系统的一般执行过程
进程调度的时机
1、中断：起到切出进程指令流的作用。中断处理程序是与进程无关的内核指令流。中断类型：
- 硬中断：可屏蔽中断和不可屏蔽中断。高电平说明有中断请求。
- 软中断/异常：
- 故障：出问题，但可以恢复到当前指令，如除零错误。
- 退出：不可恢复的严重故障，只能退出。如连续发生故障。
2、Linux内核通过schedule函数实现进程调度，调用schedule函数的时候就是进程调度的时机。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是进行调度；
- 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。
调度策略与算法
1、Linux系统调度策略：
- 对于实时进程，Linux采用FIFO（先进先出）或Round Robin（时间片轮转）的调度策略；对于其他进程，Linux采用CFS调度器，核心思想是“完全公平”。
- SCHED_FIFO和SCHED_RR：实时进程的调度类，实时进程的优先级是静态设定的，始终大于普通进程的优先级；
- SCHED_NORMAL：普通进程的调度类，同一进程在本身优先级不变的情况下分到的CPU时间占比会根据系统负载变化而发生变化。
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，相关寄存器的值。
3、Linux系统的一般执行过程：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。
- 正在运行的用户态进程X。
- 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)。
- 进入中断处理进程，首先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 恢复进程X的执行状态。
- iret - pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack，
- 继续运行用户态进程Y。从Y进程的内核堆栈中弹出②中硬件完成的堆栈内容。
4、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一个子进程时；
- 加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况，如execve系统调用加载新的可执行程序；
进程调度相关源代码跟踪和分析
配置运行MenuOS系统
重新克隆一个menu,然后重新编译内核。
配置gdb远程调试和设置断点
打开调试模式，另打开一个窗口进行gdb远程调试，配置gdb远程调试并设置断点。
使用gdb跟踪分析schedule()函数
按c执行，停在schedule函数断点处。
按c继续执行到pick_next_task断点处：在这里根据某种调度策略和调度算法选择了下一个进程来切换。
按c继续执行到context_switch断点处，用来实现进程的切换。
按s单步调试进入switch_to函数内部,这里差不多按了几十下s吧！switch_to是context_switch函数中进行进程关键上下文切换的函数。
关键代码分析
context_switch关键代码部分
static inline void context_switch(struct rq *rq, struct task_struct *prev, struct task_struct *next)
{
...
arch_start_context_switch(prev);
if (unlikely(!mm)) { //如果被切换进来的进程的mm为空切换，内核线程mm为空
next->active_mm = oldmm; //将共享切换出去的进程的active_mm
atomic_inc(&oldmm->mm_count); //有一个进程共享，所有引用计数加一
enter_lazy_tlb(oldmm, next); //将per cpu变量cpu_tlbstate状态设为LAZY
} else //普通mm不为空，则调用switch_mm切换地址空间
switch_mm(oldmm, mm, next);
...
//这里切换寄存器状态和栈
switch_to(prev, next, prev);
switch_to关键代码部分
#define switch_to(prev, next, last)
do {
/*
* Context-switching clobbers all registers, so we clobber
* them explicitly, via unused output variables.
* (EAX and EBP is not listed because EBP is saved/restored
* explicitly for wchan access and EAX is the return value of
* __switch_to())
*/
unsigned long ebx, ecx, edx, esi, edi;
asm volatile(
"pushfl
" //保存当前进程flags
"pushl %%ebp
" //当前进程堆栈基址压栈
"movl %%esp,%[prev_sp]
" //保存ESP，将当前堆栈栈顶保存起来
"movl %[next_sp],%%esp
" //更新ESP，将下一栈顶保存到ESP中
// 完成内核堆栈的切换
"movl $1f,%[prev_ip]
" //保存当前进程的EIP
"pushl %[next_ip]
" //将next进程起点压入堆栈，即next进程的栈顶为起点
__switch_canary //next_ip一般为$1f，对于新创建的子进程是ret_from_fork
"jmp __switch_to
" //prve进程中，设置next进程堆栈，jmp与call不同，是通过寄存器传递参数（call通过堆栈），所以ret时弹出的是之前压入栈顶的next进程起点
//完成EIP的切换
"1: " //next进程开始执行
"popl %%ebp
" //restore EBP
"popfl
" //restore flags
//输出量
: [prev_sp] "=m" (prev->thread.sp), //保存当前进程的esp
[prev_ip] "=m" (prev->thread.ip), //保存当前进仓的eip
"=a" (last),
//要破坏的寄存器
"=b" (ebx), "=c" (ecx), "=d" (edx),
"=S" (esi), "=D" (edi)
__switch_canary_oparam
//输入量
: [next_sp] "m" (next->thread.sp), //next进程的内核堆栈栈顶地址，即esp
[next_ip] "m" (next->thread.ip), //next进程的eip
// regparm parameters for __switch_to():
[prev] "a" (prev),
[next] "d" (next)
__switch_canary_iparam
: //重新加载段寄存器
"memory");
} while (0)
总结
要点：
- 中断处理过程直接调用schedule()，或者当内核返回用户态时根据need_resched标志调用schedule()。
- 内核线程是一个特殊的进程，只有内核态没有用户态，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（内核线程可以直接访问内核函数，所以不会发生系统调用）。
- 内核线程作为一类的特殊的进程可以主动调用schedule函数让出CPU，也可以被动调度。
用户态进程无法实现主动调度，仅能在中断处理过程中进行调度。