linux 进程调度switch_to宏浅析+系统执行过程总结
刘柳 + 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+titer2008@gmail.com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。
调度时机 背景
- 不同类型的进程有不同的调度需求
- 第一种分类：
- I/O-bound
- 频繁的进行I/O
- 通常会花费很多时间等待I/O操作的完成
- CPU-bound
- 计算密集型
- 需要大量的CPU时间进行运算
- I/O-bound
- 第二种分类
- 批处理进程（batch process）
- 不必与用户交互，通常在后台运行
- 不必很快响应
- 典型的批处理程序：编译程序、科学计算
- 实时进程（real-time process）
- 有实时需求，不应被低优先级的进程阻塞
- 响应时间要短、要稳定
- 典型的实时进程：视频/音频、机械控制等
- 交互式进程（interactive process）
- 需要经常与用户交互，因此要花很多时间等待用户输入操作
- 响应时间要快，平均延迟要低于50~150ms
- 典型的交互式程序：shell、文本编辑程序、图形应用程序等
- 批处理进程（batch process）
Linux中的进程调度
- Linux既支持普通的分时进程，也支持实时进程
- Linux中的调度是多种调度策略和调度算法的混合。
- 什么是调度策略？
- 是一组规则，它们决定什么时候以怎样的方式选择一个新进程运行
Linux的调度基于分时和优先级
- 随着版本的变化，分时技术在不断变化
Linux的进程根据优先级排队
- 根据特定的算法计算出进程的优先级，用一个值表示
- 这个值表示把进程如何适当的分配给CPU
- Linux中进程的优先级是动态的
- 调度程序会根据进程的行为周期性的调整进程的优先级
- 较长时间未分配到CPU的进程，通常↑
- 已经在CPU上运行了较长时间的进程，通常↓
- 调度程序会根据进程的行为周期性的调整进程的优先级
相关的系统调用
nice
getpriority/setpriority
sched_getscheduler/sched_setscheduler
sched_getparam/sched_setparam
sched_yield
sched_get_priority_min/sched_get_priority_max
sched_rr_get_interval
scheudle 函数
- schedule函数实现调度
- 目的：在运行队列中找到一个进程，把CPU分配给它
- 调用方法：
- 直接调用，如sleep_on
- 松散调用，根据need_resched标记
进程调度的时机（重点）
- 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。
用户态被动调度
内核线程只有内核态没有用户态的特殊进程，无需系统调用。
插曲：张银奎说程序进入内核态犹如人睡觉啦。这个笑话很有意思进程的切换
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；
区别是否是同一个进程- 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）
还有硬件上下文- 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
进程代码切换代码分析（重点）
第一节第二堂课
位置：kernel/sched/core.c
如果想看到这里面详细的值，可以使用gcc -O0试试以下是scheudle代码的展开结构图（感谢tldp供图），从中可以得到
switch_to的具体调用位置和具体汇编内容的分工。
|schedule
|do_softirq // manages post-IRQ work
|for each task
|calculate counter
|prepare_to__switch // does anything
|switch_mm // change Memory context (change CR3 value)
|switch_to (assembler)
|SAVE ESP
|RESTORE future_ESP
|SAVE EIP
|push future_EIP *** push parameter as we did a call
|jmp __switch_to (it does some TSS work)
|__switch_to()
..
|ret *** ret from call using future_EIP in place of call address
new_task
从进程的角度看，我们可以得到如下的控制流程图，大家可以从tldp这张图里面知道
两个不同进程如何进行切换的。
U S E R M O D E K E R N E L M O D E
| | | | | | | |
| | | | Timer | | | |
| | | Normal | IRQ | | | |
| | | Exec |------>|Timer_Int.| | |
| | | | | | .. | | |
| | | \|/ | |schedule()| | Task1 Ret|
| | | | |_switch_to|<-- | Address |
|__________| |__________| | | | | |
| | |S | |
Task1 Data/Stack Task1 Code | | |w | |
| | T|i | |
| | a|t | |
| | | | | | s|c | |
| | | | Timer | | k|h | |
| | | Normal | IRQ | | |i | |
| | | Exec |------>|Timer_Int.| |n | |
| | | | | | .. | |g | |
| | | \|/ | |schedule()| | | Task2 Ret|
| | | | |_switch_to|<-- | Address |
|__________| |__________| |__________| |__________|
Task2 Data/Stack Task2 Code Kernel Code Kernel Data/Stack
关于switch_to 中esp eip 切换的认识
- esp 先切换
- eip 再切换
- 利用push eip +call 起到了类似的call 作用，但是灵活修改了eip 。
/*这点很牛*/
代码情景分析+gdb动手实践
欢迎大家到我的博客留言，希望成为内核入门学习的干货店。
http://blog.csdn.net/titer1/
#define switch_to(prev, next, last) \
do { \
/* \
* Context-switching clobbers all registers, so we clobber \
* them explicitly, via unused output variables. \
* (EAX and EBP is not listed because EBP is saved/restored \
* explicitly for wchan access and EAX is the return value of \
* __switch_to()) \
*/ \
unsigned long ebx, ecx, edx, esi, edi; \
\
asm volatile("pushfl\n\t" /* save flags */ \
"pushl %%ebp\n\t" /* save EBP */ \
"movl %%esp,%[prev_sp]\n\t" /* save ESP */ \
"movl %[next_sp],%%esp\n\t" /* restore ESP */ \
"movl $1f,%[prev_ip]\n\t" /* save EIP */ \
"pushl %[next_ip]\n\t" /* restore EIP */ \
"jmp __switch_to\n" /* regparm call */ \
"1:\t" \
"popl %%ebp\n\t" /* restore EBP */ \
"popfl\n" /* restore flags */ \
\
/* output parameters */ \
: [prev_sp] "=m" (prev->thread.sp), \
[prev_ip] "=m" (prev->thread.ip), \
"=a" (last), \
\
/* clobbered output registers: */ \
"=b" (ebx), "=c" (ecx), "=d" (edx), \
"=S" (esi), "=D" (edi) \
\
/* input parameters: */ \
: [next_sp] "m" (next->thread.sp), \
[next_ip] "m" (next->thread.ip), \
\
/* regparm parameters for __switch_to(): */ \
[prev] "a" (prev), \
[next] "d" (next)); \
} while (0)仅仅演示swith_to堆栈变化，
要知道哪些地方典型的调用schedule,待下一次展开
鉴于switch_to是一个宏，我们使用下面的方法设置断点：
b kernel/sched/core.c:2373整个调试过程动态库，原文3M多，请点击这里
感谢hchunhui供堆栈图，
他的博客可以从这里访问：
http://home.ustc.edu.cn/~hchunhui/linux_sched.html1 switch_to之前
2 切换堆栈之前
3 切换堆栈之后
4 push和Jump操作之后
5 _switch_to汇编返回
6 switch_to完成
Linux系统的一般执行过程
位置：教程第二节第一讲
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
在运行的用户态进程X 发生中断，硬件完成以下：
- save cs:eip/esp/eflags(current) to kernel stack
- load cs:eip(entry of a specific ISR) and ss:esp(point to kernel stack).
SAVE_ALL //保存现场
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
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)
已经变成Y进程上下文，真是 庄周做梦- restore_all //恢复现场
- iret - pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack
- 继续运行用户态进程Y
进程间的 几种特殊情况
先普通 再特殊- 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个内核线程之间切换，cs段没有改变我
用户进程和内核线程间切换- 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；
没有发生中断，也就是没有int 指令和iret指令喔，- 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；
pre :parent next: child so next_ip =ret_from_fork ,不是switch_to中的标号1喔- 加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况，如execve；
pre：parent
next:execve产生的进程（记住，execve也是系统调用）
联想start_thread(execve内部）,里面有修改进程上下文的内容喔，所以以新的中断上下文返回开眼界 内核 舞女
dancing girls vs Taxi girl0-3g
3g-4g 内核态
如果每个进程都有自己的内核栈，切换也是一门学问
原因是：内核态下(3G以上空间），各进程的代码段/堆栈段是可以统一访问的
借用老师的话：内核是taxi
内核是什么？
内核是各种中断处理过程和内核线程的集合！ 精炼啊 大道至简 道法自然Linux操作系统架构和系统执行过程概览
操作系统的基本概念
♦ 任何计算机系统都包含一个基本的程序集 合，称为操作系统。
– 内核（进程管理，进程调度，进程间通讯机 制，内存管理，中断异常处理，文件系统，I/O 系统，网络部分）
– 其他程序（例如函数库、shell程序、系统程序 等等）
♦ 操作系统的目的
– 与硬件交互，管理所有的硬件资源
– 为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行 环境
典型的Linux操作系统的结构
能深入浅出一个系统架构图很考量一个系统设计人员
最简单也是最复杂的操作
ls 命令 就是 一讲！ 不简单
有时间的话 可以看看strace换个角度 cpu执行指令 +内存角度看
某种程度上说，
cpu执行指令的演示很精彩
后者就是在说进程地址空间
总结
调度简单说来就是控制权的转移，复杂的话就要考量，主要是
- 什么时候切换
- 选择哪些进程切换
具体的调度方法根据应用场景来分 就是 调度策略。
了解schedule函数是分析进程调度的基础，后续可以从O(1)，cfs等进行扩展学习。