进程的切换和系统的一般执行过程
贾瑗 原创作品转载请注明出处 《Linux内核分析》MOOC课程 http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000
一、进程切换的关键代码switch-to分析
1、进程调度与进程调度的时机分析
不同类型的进程有不同的调度需求
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第一种
I/O-bound · 频繁的进行I/O · 通常会花费很多的时间等待I/O操作的完成 CPU-bound · 计算密集型 · 需要大量的CPU时间进行计算 //导致交互式计算反应迟钝 -
第二种
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：编译程序和科学计算 实时进程 · 有实时需求，不应被低优先级的进程阻塞 · 响应的时间要短、要稳定 · 典型的实时进程：视频音频、机械控制 交互式进程 · 需要经常与用户进行交互，要花很多时间等待用户输入 · 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
Linux既支持普通的分时进程，也支持实时进程。调度是多种调度策略和调度算法的混合，基于分时和优先级
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。（内核中的调度算法相关代码使用了类似OOD中的处理模式）
Linux的进程根据优先级排队，优先级是动态的
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
调度程序会根据进程的行为周期性的调整进程的优先级
进程调度的时机
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中断处理过程（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
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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，也就是说线程作为一类特殊的进程，只有内核态没有用户态可以主动调度也可以被动调度
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用户态进程无法实现主动调度，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程调度
schedule函数：在运行队列中找到一个函数，把CPU分配给他
2、进程上下文切换相关代码分析
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
挂起与中断是保存现场的区别：中断前后是同一个进程上下文，只是由用户态和内核态执行。进程上下文是两个进程。
进程上下文包含进程执行的信息
用户地址空间：程序代码、数据、用户堆栈
控制信息：进程描述符、内核堆栈
硬件上下文
- 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
switch_to代码及分析
二、Linux系统的一般执行过程
1、Linux系统的一般执行过程分析
最一般的情况：从正在运行的用户态进程x切换到运行用户态进程y
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 ISP)
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
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
几种特殊情况
- 通过中断处理过程中的调度时机，用户态进程和内核线程之间相互切换和内核线程之间相互切换与最一般的状况非常类似，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
- 加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况
2、内核与舞女
ps：忍不住的想吐槽，我还是个孩子啊！
那么问题来了：如果进程发生切换，代码段堆栈段等是如何进行切换的
内核就是一个出租车！！！哪个进程招手都可以！！！
进程就是出租车的客人！！！
内核是各种中断处理过程和内核线程的集合
操作系统架构和执行过程
Linux操作系统架构概览
回顾
操作系统：基本程序集合
- 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
- 其他：函数库，shell程序
- 目的：与硬件交互，管理所以的硬件资源。为用户程序提供一个良好的执行环境
最简单也是最复杂的操作——执行ls命令
从CPU和内存的角度看Linux系统的执行
实验部分
前面几步重新克隆menu的步骤已经做过很多次了所以就不麻烦再记下来了，直接从gdb设置断点开始
- 先后在schedule、switch_to两处设置断点。
- s一直执行可以看到每一步，输入list可以看到更多的代码
总结部分
进程的调度少不了进程的切换，关键操作是：切换地址空间、切换内核堆栈、切换内核控制流程，加上一些必要的寄存器保存和恢复。用户上下文的保存和恢复是通过中断和异常机制，在内核态和用户态相互切换时才发生的。