20135239 益西拉姆 linux内核分析 进程的切换和系统的通常执行过程

week 8 进程的切换和系统的通常执行过程

【 20135239 原文请转载请注明出处 《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000】

1、进程调度与进程调度的时机分析

• 操做系统原理中介绍了大量进程调度算法，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。对于理解操做系统的工做机制，反而是进程的调度时机与进程的切换机制更为关键。
• 不一样类型的进程有不一样的调度需求

• 第一种分类：

  • 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-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
    • 典型的批处理程序：编译程序、科学计算
  • 实时进程
    • 有实时要求，不该被低优先级的进程阻塞
    • 响应时间要短、要稳定
    • 典型的实时进程：视频/音频、机械控制等
  • 交互式进程
    • 须要常常与用户交互，所以要花很长时间等待用户输入操做
    • 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、图形应用程序等

• Linux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
• 什么事调度策略？
  • 是一组规则，他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
  • 随着版本的变化，分时技术在不断变化
• Linux的进程根据优先级排队
  • 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
  • 调度程序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，一般往上
    • 已经在CPU上运行了较长时间的进程一般往下
• 内核中的调度算法相关代码使用了相似OOD中的策略模式
• 将调度算法与其余部分耦合了

• ****进程调度的时机

  • 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
• 内核线程能够主动调度也能够被动调度

2、进程上下文代码的相关分析

• 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；

  • 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）

  • schedule()函数选择一个新的进程来运行，并调用contextswitch进行上下文的切换，这个宏调用switchto来进行关键上下文切换

  • next = picknexttask(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

  • switchto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 ```1. 31#define switchto(prev, next, last) \

• 32do { \
• 33 /* \
• 34 * Context-switching clobbers all registers, so we clobber \
• 35 * them explicitly, via unused output variables. \
• 36 * (EAX and EBP is not listed because EBP is saved/restored \
• 37 * explicitly for wchan access and EAX is the return value of \
• 38 * _switchto()) \
• 39 */ \
• 40 unsigned long ebx, ecx, edx, esi, edi; \
• 41 \
• 42 asm volatile("pushfl\n\t" /* save flags */ \
• 43 "pushl %%ebp\n\t" /* save EBP */ \
• 44 "movl %%esp,%[prev_sp]\n\t" /* save ESP */ \
• 45 "movl %[next_sp],%%esp\n\t" /* restore ESP */ \
• 46 "movl $1f,%[prev_ip]\n\t" /* save EIP */ \
• 47 "pushl %[next_ip]\n\t" /* restore EIP */ \
• 48 _switchcanary \
• 49 "jmp _switchto\n" /* regparm call */ \
• 50 "1:\t" \
• 51 "popl %%ebp\n\t" /* restore EBP */ \
• 52 "popfl\n" /* restore flags */ \
• 53 \
• 54 /* output parameters */ \
• 55 : [prev_sp] "=m" (prev->thread.sp), \
• 56 [prev_ip] "=m" (prev->thread.ip), \
• 57 "=a" (last), \
• 58 \
• 59 /* clobbered output registers: */ \
• 60 "=b" (ebx), "=c" (ecx), "=d" (edx), \
• 61 "=S" (esi), "=D" (edi) \
• 62 \
• 63 switchcanaryoparam \
• 64 \
• 65 /* input parameters: */ \
• 66 : [next_sp] "m" (next->thread.sp), \
• 67 [next_ip] "m" (next->thread.ip), \
• 68 \
• 69 /* regparm parameters for _switchto(): */ \
• 70 [prev] "a" (prev), \
• 71 [next] "d" (next) \
• 72 \
• 73 switchcanaryiparam \
• 74 \
• 75 : /* reloaded segment registers */ \
• 76 "memory"); \

• 77} while (0)

• nextip通常是￥1f，对于新建立的子进程是retfrom_fork

3、Linux系统的通常执行过程分析

• Linux系统的通常执行过程

• 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

  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 ISR) and ss:esp(point to kernel stack).
  3. SAVE_ALL //保存现场
  4. 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
  5. 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)
  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
• 中断上下文的切换和进程上下文的切换

4、Linux系统执行过程当中的几个特殊状况

几种特殊状况

• 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；(nextip = retfrom_fork)

• 加载一个新的可执行程序后返回到用户态的状况，如execve；

5、内核与舞女

内核是各类中断处理过程和内核线程的组合。

6、Linux操做系统架构概览

• 操做系统的基本概念

• 典型的Linux操做系统的结构

• 最简单也是最复杂的操做

• 站在CPU执行指令的角度

• 从内存的角度来看

7、最简单也是最复杂的操做--执行ls命令

• 在控制台下输入ls命令

• shell程序分析输入参数，肯定这是ls命令

• 调用系统调用fork生成一个shell自己的拷贝
  • 什么是系统调用？----->>内存保护，内核态用户态相关问题
  • 系统调用是怎么实现的？--->>软中断、异常的概念、陷阱门、系统门
  • fork是什么？---->>>进程的描述、进程的建立
  • 为何要调用fork--->COW技术
• 调用exec系统调用将ls的可执行文件装入内存

• 从系统调用返回

  • 如何作到正确的返回？

• shell和ls都得以执行-->>进程调度，运行队列等待队列的维护

8、从CPU和内存的角度看Linux系统的执行

1. 执行gets()函数；
2. 执行系统调用，陷入内核；
3. 等待输入，CPU会调度其余进程执行，同时wait一个I/O中断；
4. 敲击ls，发I/O中断给CPU，中断处理程序进行现场保存、压栈等等；
5. 中断处理程序发现X进程在等待这个I/O（此时X已经变成阻塞态），处理程序将X设置为WAKE_UP;
6. 进程管理可能会把进程X设置为next进程，这样gets系统调用得到数据，再返回用户态堆栈

1. 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