《Linux内核分析》第八周学习总结

《Linux内核分析》第八周学习总结

                                     ——进程的切换和系统的通常执行过程

姓名：王玮怡  学号：20135116

1、理论部分总结

（一）进程切换的关键代码switch_to的分析

一、进程调度与进程调度的时机分析

（1）调度策略

调度策略是一组规则，它们决定何时以怎样的方式选择一个新进程运行，不管何种策略，都是从运行队列中选出一个进程做为next来执行，Linux内核中的调度算法相关代码使用了相似OOD中的策略模式。

（2）Linux的进程调度

• 既支持普通的分时进程，也支持实时进程
• Linux中的调度是多种调度策略和调度算法的混合
• Linux的调度基于分时和优先级

　　　——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

• Linux中进程的优先级是动态的（调度进程会根据进程的行为周期性的调整进程的优先级）

　　　——较长时间未分配到CPU的进程，一般↑

　　　——已经在CPU上运行了较长时间的进程，一般↓

（3）进程调度的时机——schedule()函数实现调度

• 目的：在运行队列中找到一个进程，把CPU分配给它
• 调用方法：

　　——直接调用schedule()函数

　　——松散调用，根据need_resched标记

• 调用时机

　　——用户态进程经过中断处理过程（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()（用户态进程只能被动调用），仅能经过陷入内核态后的某个时机点进行调度，即在中断处理过程当中进行调度。

　　——内核线程（只有内核态，没有用户态的特殊进程）能够直接调用schedule()进行进程切换，也能够在中断处理过程当中进程调度，也就是说内核线程做为一类特殊d的进程能够主动调用也能够被动调用。

二、进程上下文切换相关代码分析

（1）进程上下文切换与中断保存现场的区别

　　进程上下文切换的是两个不一样的进程，而保存和恢复现场是在同一个进程中的工做。

• 进程上下文包含了进程执行须要的全部信息

　　　　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一样）

（2）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。

（3）关键语句

• next = pick_next_task(rq, prev);//进程调度算法都封装这个函数内部，包装了其使用哪一种进程调度策略
• context_switch(rq, prev, next);//进程上下文切换

　　　　prepare_task_switch(rq, prev, next);//提早准备

　　　　switch_to(prev, next, prev);//切换堆栈和寄存器状态

　　　　　　output：

　　　　　　[prev_sp] "=m" (prev->thread.sp), //当前进程，内核堆栈的栈顶

　　　　　　[prev_ip] "=m" (prev->thread.ip),//当前进程的eip

　　　　　　input：

　　　　　　[next_sp]  "m" (next->thread.sp),//下一个进程的内核堆栈的栈顶

　　　　　　[next_ip]  "m" (next->thread.ip),//下一个进程的执行起点

　　　　　　

　　　　　　其中，第4四、45行完成了内核堆栈的切换，以后全部动做都在next内核堆栈中进行。

　　　　　　next_ip通常是$if，对于新建立的子进程是ret_from_fork。

　　　　　　jmp __switch_to经过寄存器传递参数。

（二）Linux系统的通常执行过程

一、Linux系统的通常执行过程分析 

最通常的状况：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
• 中断处理过程当中或中断返回前调用了schedule()，其中的switch_to作了关键的进程上下文切换
• 标号1以后开始运行用户态进程Y(这里Y曾经经过以上步骤被切换出去过所以能够从标号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

*关键：

• 中断和中断返回的过程当中，有CPU上下文的切换
• 进程调度的过程当中，有进程上下文的切换，是进程内核堆栈的切换

二、Linux系统执行过程当中的几个特殊状况

• 经过中断处理过程当中的调度时机，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，与最通常的状况很是相似，只是内核线程运行过程当中发生中断没有进程用户态和内核态的转换，不存在用户态到内核态的权限变化；
• 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，与最通常的状况略简略；
• 建立子进程的系统调用在子进程中的执行起点（ret_from_fork）及返回用户态，如fork（next_ip=ret_from_fork）；
• 加载一个新的可执行程序后返回到用户态的状况，如execve

三、内核与舞女、出租车。。。

• 32位x86系统下，每一个进程大小为4G，0~3G用户态能够访问，3G以上只有内核态能够访问。
• 全部进程3G以上的地址空间是共享的，内核是各类中断处理过程和内核线程的集合，任何进程均可以陷入到内核态，而后返回到用户态
• 内核——出租车，进程——乘客

（三）Linux架构和执行过程概览

一、Linux操做系统架构概览

（1）操做系统

 

硬件资源最关键的是CPU和内存

（2）Linux操做系统的架构

 

二、执行ls命令——最简单也是最复杂的操做

 

系统调用自己也是一种特殊的中断，经过int 0x80进入内核态

COW（copy or write）写时复制

三、从CPU和内存的角度看Linux系统的执行

 

2、实验部分——理解进程调度时机跟踪分析进程调度与进程切换的过程

一、搭建环境

 

二、加载符号表并链接到端口1234

三、设置断点：schedule、context_switch、switch_to，其中switch_to 要明确位置

四、继续运行到断点1

五、继续运行到断点2

六、继续运行到断点3

此时，也能够看到switch_to 的位置。