Linux内核分析第九次作业
理解进程调度时机跟踪分析进程调度与进程切换的过程
一、基础知识
Linux系统的一般执行过程
一般情况：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
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）
-
二、实验内容
代码分析
#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" /* 保存当前进程flags */
"pushl %%ebp\n\t" /* 当前进程堆栈基址压栈*/
"movl %%esp,%[prev_sp]\n\t" /*保存ESP，将当前堆栈栈顶保存起来*/
"movl %[next_sp],%%esp\n\t" /*更新ESP，将下一栈顶保存到ESP中*/
//完成内核堆栈的切换
"movl $1f,%[prev_ip]\n\t" /*保存当前进程EIP*/
"pushl %[next_ip]\n\t" /*将next进程起点压入堆栈，即next进程的栈顶为起点*/
//完成EIP的切换
__switch_canary
//next_ip一般是$1f，对于新创建的子进程时ret_from_fork
"jmp __switch_to\n" /*prev进程中，设置next进程堆栈*/
//jmp不同于call是通过寄存器传递参数
"1:\t" //next进程开始执行
"popl %%ebp\n\t"
"popfl\n"
/*输出变量定义*/
: [prev_sp] "=m" (prev->thread.sp), //[prev_sp]定义内核堆栈栈顶
[prev_ip] "=m" (prev->thread.ip), //[prev_ip]当前进程EIP
"=a" (last),
/* 要破坏的寄存器: */
"=b" (ebx), "=c" (ecx), "=d" (edx),
"=S" (esi), "=D" (edi)
__switch_canary_oparam
/* 输入变量: */
: [next_sp] "m" (next->thread.sp), //[next_sp]下一个内核堆栈栈顶
[next_ip] "m" (next->thread.ip),
//[next_ip]下一个进程执行起点，，一般是$1f，对于新创建的子进程是ret_from_fork
/* regparm parameters for __switch_to(): */
[prev] "a" (prev),
[next] "d" (next)
__switch_canary_iparam
: /* 重新加载段寄存器 */
"memory");
} while (0)
三、总结
通过学习，了解到Linux使用了堆栈进行了进程调度。内核在调用schedule()在需要的时候重新启用内核抢占、并检查是否一些其他的进程已经设置了当前进程的
tlf_need_resched标志，如果是，整个schedule()函数重新开始执行，否则，函数结束。linux调度的核心函数为schedule，schedule函数封装了内核调度的框架。
细节实现上调用具体的调度类中的函数实现。当切换进程已经选好后，就开始用户虚拟空间的处理，然后就是进程的切换switch_to()。所谓进程的切换主要就是堆栈
的切换，这是由宏操作switch_to()完成的。
