理解进程调度时机跟踪分析进程调度与进程切换的过程

 

贺邦+ 原创做品转载请注明出处 + 《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000 

1、理论知识

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，这里是已经进入内核中断处里过程

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

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；
• 加载一个新的可执行程序后返回到用户态的状况，如execve；

进程的调度时机与进程的切换

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。

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()；好比sleep，就可能直接调用了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。

 

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；即进程上下文切换！
• 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);//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

 

31#define switch_to(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   * __switch_to())                      \

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           __switch_canary                    \

49           "jmp __switch_to\n"  /* regparm call  */  \

50           "1:\t" /*下一个进程开始执行的地方！*/                        \

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             __switch_canary_oparam                 \

64                                   \

65             /* input parameters: */                 \

66           : [next_sp]  "m" (next->thread.sp),         \

67             [next_ip]  "m" (next->thread.ip),        \

68                                        \

69             /* regparm parameters for __switch_to(): */   \

70             [prev]     "a" (prev),               \

71             [next]     "d" (next)                \

72                                   \

73             __switch_canary_iparam                 \

74                                   \

75           : /* reloaded segment registers */            \

76          "memory");                   \

77} while (0)

 

实验：

登录实验楼虚拟机http://www.shiyanlou.com/courses/195

打开shell终端，执行如下命令：

cd LinuxKernel

rm -rf menu

git clone https://github.com/mengning/menu.git

cd menu

mv test_exec.c test.c

make rootfs

能够看到编译出来的系统已经有了exec命令

1

能够经过增长-s -S启动参数打开调试模式

qemu -kernel ../linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd ../rootfs.img -s -S

打开gdb进行远程调试

gdb

file ../linux-3.18.6/vmlinux

target remote:1234

设置断点

b schedule

b context_switch

b switch_to

b pick_next_task