2019-2020-1 20199327《Linux内核原理与分析》第九周作业

进程的切换和系统的一般执行过程

进程调度的时机

中断

中断：是程序执行过程中的强制转移，使得CPU暂时中断当前正在执行的程序而转去执行相应的时间处理程序。待处理完毕后又返回原来被中断处继续执行或调度新的进程执行的过程。引起中断的事件称为中断源。中断源向CPU提出处理的请求称为中断请求。发生中断时被打断程序的暂停点称为断点。CPU暂停现行程序而转为响应中断请求的过程称为中断响应。处理中断源的程序称为中断处理程序。分为硬中断和软中断。CPU执行有关的中断处理程序称为中断处理。而返回断点的过程称为中断返回。中断的实现由软件和硬件综合完成，硬件部分叫做硬件装置，软件部分称为软件处理程序

异常

1. 故障：出现问题，可恢复到当前指令。
2. 退出：不可恢复的严重故障，导致程序无法继续运行，只能退出。
3. 陷阱：程序主动产生的异常。

进程调度时机

schedule函数

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分给它。所以调用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时机。
调用schedule函数的两种方法如下：

进程主动的调用schedule()：如进程调用阻塞的系统调用等待外设或主动睡眠等，最终都会在内核中调用schedule函数。

松散调用schedule()：内核代码中可以随时调用schedule函数使当前内核路径让出CPU。

上下文

1. 一般来说，CPU在任何时刻都处于以下三种情况之一

   1. 运行于用户空间，执行用户进程上下文
   2. 运行于内核空间，处于进程（一般是内核线程）上下文。
   3. 运行于内核空间，处于中断（中断处理程序ISR，包括系统调用处理过程）上下文。

2. Linux内核工作在进程上下文或者中断上下文。提供系统调用服务的内核代码代表发起系统调用的应用程序运行在进程上下文；中断处理程序，异步运行在中断上下文。中断上下文和特定进程无关。

3. 运行在进程上下文的内核代码是可以被抢占的（Linux2.6支持抢占）。但是一个中断上下文，通常都会始终占有CPU（当然中断可以嵌套，但我们一般不这样做），不可以被打断。故运行在中断上下文的代码不能做下面的事情：

   1. 睡眠或者放弃CPU：这样做的后果是灾难性的，因为内核在进入中断之前会关闭进程调度，一旦睡眠或者放弃CPU，这时内核无法调度别的进程来执行，系统就会死掉

   2. 尝试获得信号量：如果获得不到信号量，代码就会睡眠，会产生和上面相同的情况

   3. 执行耗时的任务：中断处理应该尽可能快，因为内核要响应大量服务和请求，中断上下文占用CPU时间太长会严重影响系统功能。

4. 访问用户空间的虚拟地址：因为中断上下文是和特定进程无关的，它是内核代表硬件运行在内核空间，所以在终端上下文无法访问用户空间的虚拟地址

进程调度的时机

简单总结进程调度时机如下：

1. 用户进程通过特定的系统调用主动让出CPU
2. 中断处理程序在内核返回用户态时进行调度
3. 内核线程主动调用schedule函数让出CPU
4. 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

调度策略与算法

调度策略：首先考虑这个算法的整体目标，是追求资源利用率最高，还是追求相应最即时，或者是追求其他的特定目标？为了满足定下的这些目标，就需要找对应的方法或机制作为对策，这就是调度策略。
调度算法：接下来考虑如何实现调度策略并满足设定的目标。用数组、链表、图，还是树来存储就绪进程呢？在加入就绪队列时就排序，还是调度时再排序？这些具体的实现就是调度算法。

进程的分类

进程上下文切换

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，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：相关寄存器的值。

实验