初学Linux中进程调度与进程切换过程

孙业毅 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

第八讲 进程的切换和系统的一般执行过程 

@2015.04

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一、理论知识

Linux系统的一般执行过程

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，这里是已经进入内核中断处里过程

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

• 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；

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()；比如sleep，就可能直接调用了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。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；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
  • 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)

二、实验

实验内容

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；推荐在实验楼Linux虚拟机环境下完成实验。
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；

实验步骤

1. 打开实验楼虚拟机 https://www.shiyanlou.com/courses/running/890

2. 在shell中依次运行以下命令，获取本次实验的代码，并编译运行

cd LinuxKernel

rm menu -rf

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

cd menu

mv test_exec.c test.c

make rootfs 

效果如下：

3. 关闭QEMU窗口，在shell窗口中，cd LinuxKernel回退到LinuxKernel目录，使用下面的命令启动内核并在CPU运行代码前停下以便调试：

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

接下来，我们就可以水平分割一个新的shell窗口出来，依次使用下面的命令启动gdb调试

gdb

(gdb) file linux-3.18.6/vmlinux

(gdb) target remote:1234

并在系统调用

关闭QEMU窗口，在shell窗口中，cd LinuxKernel回退到LinuxKernel目录，使用下面的命令启动内核并在CPU运行代码前停下以便调试：

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

接下来，我们就可以水平分割一个新的shell窗口出来，依次使用下面的命令启动gdb调试

gdb

(gdb) file linux-3.18.6/vmlinux

(gdb) target remote:1234

并在内核函数schedule的入口处设置断点，接下来输入c继续执行，则系统即可停在该函数处，接下来我们就可以使用命令n或者s逐步跟踪，可以详细浏览pick_next_task，switch_to等函数的执行过程，有图为证：