虞啸川 + 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

Linux既支持普通的分时进程,也支持实时进程,即基于优先级。Linux中调度是多种调度策略和调度算法的混合,因为不同类型的进程有不同的调度需求,所以其调度时机也是不同的。这些算法让系统运行的更高效,让CPU资源得到最大限度使用。而所谓的策略就是一组规则,决定了什么时候以怎样的方式选择一个新的进程运行。
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。

在linux中进程的调度依赖schedule()函数,下面我们通过gdb跟踪一下这个函数。

使用gdb跟踪分析一个schedule()函数

设置断点

schedule

schedule调用了__schedule

在__schedule中调用了pick_next_task选择一个新的进程来运行,然后调用context_switch进行上下文切换

context_switch

进程调度时机

  • 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。

switch_to

#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"                        \
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)

在context_switch中调用了switch_to(prev, next, prev);完成了上下文保存和切换的工作,prev和next分别指向当前进程和下一个要切换的进程。

42 43当前进程的flags和ebp压栈;44当前esp保存至内存;45 存入下一个进程的esp,至此已切换至下一个进程的堆栈;46 47把当前进程的$1f标号保存至当前ip,并将下一进程的ip压栈;48 49执行完该函数iret将下一进程的ip出栈,至此切换至下一个进程;最后将ebp和flags出栈,正式执行下一进程

switch_to对应的堆栈

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   */    \

"movl %[next_sp],%%esp\n\t" /* restore ESP   */ "movl $1f,%[prev_ip]\n\t"   /* save    EIP   */这两句将堆栈的sp作了保存和切换
然后将下一个进程的ip压栈

48             __switch_canary                    \
49             "jmp __switch_to\n"    /* regparm call  */    \
50             "1:\t"                        \
51             "popl %%ebp\n\t"        /* restore EBP   */    \
52             "popfl\n"            /* restore flags */    \

next_stack变成了prev_stack,next_ip出栈,切换至下一个进程,然后pop ebp  popfl开始执行下一个进程的代码

$1f是同一个地址,然而却有着不同的上下文环境。

总结

一、当x用户态进程通过进程调度策略切换到用户态进程y时,

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

几种特殊情况

1.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;

2.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;

3.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;

4.加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况,如execve;

二、有关进程切换

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

(1)用户地址空间: 包括程序代码,数据,用户堆栈等

(2)控制信息 :进程描述符,内核堆栈等

(3)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)

4.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

(1)next = pick_next_task(rq, prev);//进程调度算法都封装这个函数内部

(2)context_switch(rq, prev, next);//进程上下文切换

(3)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

内核是各种中断处理过程和内核线程的集合,3g以上部分是所有进程共享的

转载于:https://www.cnblogs.com/yuxiaochuan/p/5402770.html

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