理解进程调度时机跟踪分析进程调度与进程切换的过程

                                         理解进程调度时机跟踪分析进程调度与进程切换的过程

                                                                                                           沙雨济

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

一、实验要求

1. 理解Linux系统中进程调度的时机，可以在内核代码中搜索schedule()函数，看都是哪里调用了schedule()，判断我们课程内容中的总结是否准确；

2. 使用gdb跟踪分析一个schedule()函数 ，验证您对Linux系统进程调度与进程切换过程的理解。

3. 特别关注并仔细分析switch_to中的汇编代码，理解进程上下文的切换机制，以及与中断上下文切换的关系。

二、实验过程

1、理解进程上下文的切换机制，以及与中断上下文切换的关系

用户态进程它在用户的时候，它没法直接调用schedule（），因为schedule是个内核函数，而且它也不是一个系统调用，没法直接调用它，只能间接的调用它，间接的调用schedule（）的时机就是中断处理过程

对于用户态进程，它要从当前运行中的进程切换出去的话，那么它就必须要进入中断，这个中断是一般中断，进入中断后才会有一个可能会发生进程调度的时机，所以一般的用户态进程只能被动调度

[内核线程]可以直接调用schedule()进行进程切换，也可以在中断处理过程中进行调度，也就是说内核线程作为一类的特殊的进程可以主动调度，也可以被动调度；

用户态进程无法实现主动调度，仅能通过陷入内核态后的某个时机点进行调度，即在中断处理过程中进行调度。

进程的调度时机与进程的切换

操作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，选择的过程中运用了不同的策略而已。

对于理解操作系统的工作机制，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()；

• 内核线程可以直接调用schedule()进行进程切换，也可以在中断处理过程中进行调度，也就是说内核线程作为一类的特殊的进程可以主动调度，也可以被动调度；

• 用户态进程无法实现主动调度，仅能通过陷入内核态后的某个时机点进行调度，即在中断处理过程中进行调度。

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（注意中断也要保存硬件上下文只是保存的方法不同）

• 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

• 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

2、通过实验，gdb跟踪分析一个schedule()函数

实验过程截图：

3、分析switch_to中的汇编代码

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

分析汇编代码：

*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

asm volatile("pushfl\n\t"         \

43           "pushl %?p\n\t"         \将当前进程的堆栈基址压栈

44           "movl %%esp,%[prev_sp]\n\t"   \把当前的栈顶保存起来，保存到                                                      thread.sp

45           "movl %[next_sp],%%esp\n\t"   \把下个进程的栈顶放到esp寄存器里面

（44、45完成了内核堆栈的切换）

46           "movl $1f,%[prev_ip]\n\t"     \保存当前进程的eip

47           "pushl %[next_ip]\n\t"       \将下一个进程的起点压到堆栈中来 

next进程的栈顶就是它的起点

48           __switch_canary                   \

49           "jmp __switch_to\n"   \

（46-49使用的都是next进程堆栈，但还是在prev进程中执行）

50           "1:\t"                        \开始执行next进程的第一条指令

51           "popl %?p\n\t"         \pop的原因是因为next进程作为prev进程是曾经push过

52           "popfl\n"    

进程的切换：   

（1）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；

（2）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；

（3）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（注意中断也要保存硬件上下文只是保存的方法不同）

三、实验总结

通过本次实验，我理解了进程的调度时机、switch_to及对应的堆栈状态等。其中，重点理解的：

Linux系统的一般执行过程分两种情况：

最一般的情况：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. 中断处理过程中或中断返回前调用了schedule()，其中的switch_to做了关键的进程上下文切换

5. 标号1之后开始运行用户态进程Y(这里Y曾经通过以上步骤被切换出去过因此可以从标号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

特殊情况 

通过中断处理过程中的调度时机，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，与最一般的情况非常类似，只是内核线程运行过程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，与最一般的情况略简略；

创建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情况，如execve；