Linux内核分析第八周总结

第八章 进程的切换和系统的通常执行过程

进程调度与进程调度的时机分析

第一种分类：

• I/O密集型（I/O-bound）：频繁的进行I/O，一般会花费不少时间等待I/O操做的完成

• CPU密集型（CPU-bound）：计算密集型，须要大量的CPU时间进行运算

  第二种分类：

• 批处理进程：没必要与用户交互，一般在后台运行，没必要很快响应。主要用于编译程序，科学计算
• 交互式进程：须要常常与用户交互，因此要花不少时间等待用户输入操做，响应时间要快，平均延迟低于50~150ms。主要用于shell，文本编辑程序，图形应用程序

• 实时进程：有实时需求，不该被低优先级的进程阻塞，响应时间要短要稳定。主要用于视频、音配、机械控制。

不一样的进程要采起不一样的进程调度策略

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

Linux的调度基于分时和优先级策略：

• 进程根据优先级（系统根据特定算法计算出来）排队；
• 这个优先级的值表示如何适当分配CPU；
• 调度程序会根据进程的运行周期动态调整优先级；较长时间未分配到CPU的进程，一般提高优先级，已经在CPU上运行了较长时间的进程，一般下降优先级

调度策略本质上是一种算法，这些算法从实现的角度看仅仅是从运行队列中选择一个新进程，选择的过程当中运用了不一样的策略而已

进程的调度时机

• 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()
• 内核线程能够直接调用schedule()进行进程切换，也能够在中断处理过程当中进行调度，也就是说内核线程做为一类的特殊的进程能够主动调度，也能够被动调度
• 用户态进程没法实现主动调度，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

• 用户态进程只能被动调度，内核线程是只有内核态没有用户态的特殊进程。

  进程切换上下文的相关代码

• 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，并恢复之前挂起的某个进程的执行，这叫作进程切换、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一样的，中断先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，可是是同一个进程，而进程上下文的切换是两个进程在切换。
• 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（中断也要保存硬件上下文只是保存的方法不一样，中断是经过压栈来解决的，而这里是经过schedule函数）
• 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
• 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)来完成进程上下文切换

• 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

Linux系统的通常执行过程

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
• 进入内核代码，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

关键点：中断和中断返回中有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，此时切换了两个进程间的堆栈

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；
• 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及返回用户态，如fork；（若是下一个进程是还没有被调用过的进程，它的执行的起点是ret_from_fork，nexp_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；(修改中断时保存的信息)

X86下的地址空间有4G，0~3G用户态、内核态能够访问，3G以上只有内核态能够访问
内核是全部进程共享的。内核至关于出租车，进程至关于客人，对全部进程都同样。没有进程须要“承载”的时候，内核进入idle0号进程进行“空转”
内核是各类中断处理过程和内核线程的集合

Linux系统架构和执行过程概览

Linux操做系统架构概览

最简单、最复杂的操做——执行ls命令：

从CPU和内存的角度看Linux系统的执行：

• 从CPU角度看：一个进程调度：等待键盘输入的时候，cpu会切换到其余进程，同时在进行等待：由于输入键盘会产生I/O中断，再调度回来
• 从内存角度看：全部的物理地址都会被映射到3G以上的地址空间：由于这部分对全部进程来讲都是共享的

实验

完成跟踪

总结：

linux调度的核心函数为schedule，schedule函数封装了内核调度的框架。细节实现上调用具体的调度类中的函数实现。当切换进程已经选好后，就开始用户虚拟空间的处理，而后就是进程的切换switch_to()。所谓进程的切换主要就是堆栈的切换，这是由宏操做switch_to()完成的。并且知道schedule中调用next = pick_next_task(rq, prev);实行进程调度算法，其后调用context_switch(rq, prev, next);进行进程上下文切换，其中context_switch(rq, prev, next)中的宏switch_to起着关键做用。