Linux0.11进程切换和TSS结构
TSS 全称为task state segment,是指在操作系统进程管理的过程中,进程切换时的任务现场信息。
X86体系从硬件上支持任务间的切换。为此目的,它增设了一个新段:任务状态段(TSS),它和数据段、代码段一样也是一种段,记录了任务的状态信息。
与其它段一样,TSS也有描述它的结构:TSS描述符表,它记录了一个TSS的信息,同时还有一个TR寄存器,它指向当前任务的TSS。任务切换的时候,CPU会将原寄存器的内容写出到相应的TSS,同时将新TSS的内容填到寄存器中,这样就实现了任务的切换。
TSS在任务切换过程中起着重要作用,通过它实现任务的挂起和恢复。所谓任务切换是指挂起当前正在执行的任务,恢复或启动执行另一个任务。Linux任务切换是通过switch_to这个宏来实现的,它利用长跳指令,当长跳指令的操作数是TSS描述符的时候,就会引起CPU的任务的切换,此时,CPU将所有寄存器的状态保存到当前任务寄存器TR所指向的TSS段中,然后利用长跳指令的操作数(TSS描述符)找到新任务的TSS段,并将其中的内容填写到各个寄存器中,最后,将新任务的TSS选择符更新到TR中。这样系统就开始运行新切换的任务了。由此可见,通过在TSS中保存任务现场各寄存器状态的完整映象,实现了任务的切换。 task_struct中的tss成员就是记录TSS段内容的。当进程被切换前,该进程用tss_struct保存处理器的所有寄存器的当前值。当进程重新执行时,CPU利用tss恢复寄存器状
就绪态和运行态之间的切换
当前占用CPU的进程,只有调用了schedule()函数,才会由运行态转变为就绪态,schedule()函数选择状态为TASK_RUNNING的进程,
然后调用switch函数,将cpu切换到所选定的进程。
schedule()函数可能会在以下三种情况下调用:
(1) 用户态时发生时钟中断
如果当前进程是用户态进程,并且当前进程的时间片用完,那么中断处理函数do_timer()就会调用schedule()函数,
这相当于用户态的进程被抢断了。
如果当前的进程属于内核态进程,那么该进程是不会被抢占的。schedule() 函数不是系统调用,用户程序不能直接调用,
但是放在时间中断函数中,就能够调用。所以在时间中断中调用schedule()是必要的,这样就保证用户进程不会永久地占有CPU。
(2)系统调用时,相应的sys_xxxx()函数返回之后。
这种情况是为了处理运行在内核态的进程,应用程序一般是通过系统调用进入内核态,因此,linux系统调用处理函数在结束的时候,
int 0x80 中断函数会检查当前进程的时间片和状态,如果时间片用完或者进程的状态不为RUNNING ,就会调用schedule()函数。
由此可见,如果系统的某个系统调用处理函数或者中断处理异常永远不退出,那么整个系统就会死锁,任何进程都无法运行。
(3)在睡眠函数内
当进程等待的资源还不可用的时候,它就进入了睡眠状态,并且调用schedule()函数再次调用CPU。
#define switch_to(n) {\
// __tmp用来构造ljmp的操作数。该操作数由4字节偏移和2字节选择符组成。当选择符
// 是TSS选择符时,指令忽略4字节偏移。
// __tmp.a存放的是偏移,__tmp.b的低2字节存放TSS选择符。高两字节为0。
// ljmp跳转到TSS段选择符会造成任务切换到TSS选择符对应的进程。
// ljmp指令格式是 ljmp 16位段选择符:32位偏移,但如果操作数在内存中,顺序正好相反。// %0 内存地址 __tmp.a的地址,用来放偏移
// %1 内存地址 __tmp.b的地址,用来放TSS选择符
// %2 edx 任务号为n的TSS选择符
// %3 ecx task[n]
struct {long a,b;} __tmp; \
__asm__("cmpl %%ecx,current\n\t" \ // 如果要切换的任务是当前任务"je 1f\n\t" \ // 直接退出"movw %%dx,%1\n\t" \ // 把TSS选择符放入__tmp.b中"xchgl %%ecx,current\n\t" \ // 让current指向新进程的task_struct"ljmp *%0\n\t" \ // 任务切换在这里发生,CPU会搞定一切"cmpl %%ecx,last_task_used_math\n\t" \ // 除进程第一次被调度外,以后进程从就绪// 态返回运行态后,都从这里开始运行。因// 而返回到的是内核运行态。"jne 1f\n\t" \"clts\n" \"1:" \::"m" (*&__tmp.a),"m" (*&__tmp.b), \"d" (_TSS(n)),"c" ((long) task[n])); \
}
进程调度函数
/****************************************************************************/
/* 功能:进程调度。 */
/* 先对alarm和信号进行处理,如果某个进程处于可中断睡眠状态,并且收 */
/* 到信号,则把进程状态改成可运行。之后在处可运行状态的进程中挑选一个 */
/* 并用switch_to()切换到那个进程 */
/* 参数:(无) */
/* 返回:(无) */
/****************************************************************************/
void schedule(void)
{int i,next,c;struct task_struct ** p;/* check alarm, wake up any interruptible tasks that have got a signal */
// 首先处理alarm信号,唤醒所有收到信号的可中断睡眠进程for(p = &LAST_TASK ; p > &FIRST_TASK ; --p)if (*p) {// 如果进程设置了alarm,并且alarm已经到时间了if ((*p)->alarm && (*p)->alarm < jiffies) {// 向该进程发送SIGALRM信号(*p)->signal |= (1<<(SIGALRM-1));(*p)->alarm = 0; // 清除alarm}
//可屏蔽信号位图BLOCKABLE定义在sched.c第24行,(~(_S(SIGKILL) | _S(SIGSTOP)))
// 说明SIGKILL和SIGSTOP是不能被屏蔽的。
// 可屏蔽信号位图 & 当前进程屏蔽的信号位图 = 当前进程实际屏蔽的信号位图
// 当前进程收到的信号位图 & ~当前进程实际屏蔽的信号位图
// = 当前进程收到的允许相应的信号位图
// 如果当前进程收到允许相应的信号,并且当前进程处于可中断睡眠态
// 则把状态改成运行态,参与下面的选择过程if (((*p)->signal & ~(_BLOCKABLE & (*p)->blocked)) &&(*p)->state==TASK_INTERRUPTIBLE)(*p)->state=TASK_RUNNING;}/* this is the scheduler proper: */
// 下面是进程调度的主要部分while (1) {c = -1;next = 0;i = NR_TASKS;p = &task[NR_TASKS];while (--i) { // 遍历整个task[]数组if (!*--p) // 跳过task[]中的空项continue;// 寻找剩余时间片最长的可运行进程,
// c记录目前找到的最长时间片
// next记录目前最长时间片进程的任务号if ((*p)->state == TASK_RUNNING && (*p)->counter > c)c = (*p)->counter, next = i;}// 如果有进程时间片没有用完c一定大于0。这时退出循环,执行 switch_to任务切换if (c) break;// 到这里说明所有可运行进程的时间片都用完了,则利用任务优先级重新分配时间片。// 这里需要重新设置所有任务的时间片,而不光是可运行任务的时间片。// 利用公式:counter = counter/2 + priorityfor(p = &LAST_TASK ; p > &FIRST_TASK ; --p)if (*p)(*p)->counter = ((*p)->counter >> 1) +(*p)->priority;// 整个设置时间片过程结束后,重新进入进程选择过程}// 当的上面的循环退出时,说明找到了可以切换的任务switch_to(next);
}
2 运行态和睡眠态之间的转化
当进程等待资源或者事件的时候,就进入了睡眠状态,有两种不同的睡眠状态, 不可中断睡眠状态和可中断睡眠状态。
处于可中断睡眠状态的进程,不光可以由wake_up 唤醒,还可以由信号唤醒,在schedule()函数中,会把处于可中断睡眠状态的并且接收到信号的
进程变为运行状态。linux0.11的可中断睡眠状态可以由以下三中函数进入:
(1)调用interruptiable_sleep_on()函数、
(2)调用sys_pause()函数。
(3)调用sys_waitpid()函数。
进程要进入不可中断睡眠状态,必须调用sleep_on()函数。进程调用wake_up()函数,将处于不可中断状态的进程唤醒。
/****************************************************************************/
/* 功能:当前进程进入不可中断睡眠态,挂起在等待队列上 */
/* 参数:p 等待队列头 */
/* 返回:(无) */
/****************************************************************************/
void sleep_on(struct task_struct **p)
{struct task_struct *tmp; // tmp用来指向等待队列上的下一个进程if (!p) // 无效指针,退出return;if (current == &(init_task.task)) // 进程0不能睡眠panic("task[0] trying to sleep");tmp = *p; // 下面两句把当前进程放到等待队列头,等待队列是以堆栈方式*p = current; // 管理的。后到的进程等在前面current->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE; // 进程进入不可中断睡眠状态schedule(); // 进程放弃CPU使用权,重新调度进程
// 当前进程被wake_up()唤醒后,从这里开始运行。
// 既然等待的资源可以用了,就应该唤醒等待队列上的所有进程,让它们再次争夺
// 资源的使用权。这里让队列里的下一个进程也进入运行态。这样当这个进程运行
// 时,它又会唤醒下下个进程。最终唤醒所有进程。if (tmp) tmp->state=0;
}
以下是唤醒函数
/****************************************************************************/
/* 功能:唤醒等待队列上的头一个进程 */
/* 参数:p 等待队列头 */
/* 返回:(无) */
/****************************************************************************/
void wake_up(struct task_struct **p)
{if (p && *p) {(**p).state=0; // 把队列上的第一个进程设为运行态*p=NULL; // 把队列头指针清空,这样失去了都其他等待进程的跟踪。// 一般情况下这些进程迟早会得到运行。}
}
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