2019-2020-1 20199318《Linux内核原理与分析》第九周作业

第8章进程的切换和系统的一般执行过程

一、学习总结

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;
(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;
Linux系统执行过程中的几个特殊情况:

(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;
进程调度的时机：

(1)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();
(2)内核线程（只有内核态没有用户态的特殊进程）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；
(3)用户态进程无法实现主动调度，只能被动调度，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。
schedule()函数分析：
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;

二、实验过程和分析

搭建实验环境；
gdb调试；
设置断点；
单步执行
switch_to代码分析

define switch_to(prev, next, last)
do {
unsigned long ebx, ecx, edx, esi, edi;

asm volatile("pushfl\n\t" /* save flags / //保存当前进程的flags
"pushl %%ebp\n\t" / save EBP / //把当前进程的堆栈基址压栈
"movl %%esp,%[prev_sp]\n\t" / save ESP / //把当前的栈顶保存到prev->thread.sp
"movl %[next_sp],%%esp\n\t" / restore ESP / //把下一个进程的栈顶保存到esp中，这两句完成了内核堆栈的切换
"movl $1f,%[prev_ip]\n\t" / save EIP / //保存当前进程的EIP，可以从这恢复
"pushl %[next_ip]\n\t" / restore EIP / //把下一个进程的起点位置压到堆栈，就是next进程的栈顶。next_ip一般是$1f，对于新创建的子进程是ret_from_fork
//一般用return直接把next_ip pop出来
__switch_canary
"jmp __switch_to\n" / regparm call / //jmp通过寄存器传递参数，即后面的a,d。函数__switch_to也有return把next_ip pop出来
"1:\t" //认为从这开始执行next进程（EIP角度），第一条指令是next_ip这个起点，但前面已经完成内核堆栈的切换，早就是next进程的内核堆栈（算prev进程，比较模糊）
"popl %%ebp\n\t" / restore EBP / //next进程曾经是prev进程，压栈过ebp
"popfl\n" / restore flags */

/* output parameters */

[prev_sp] "=m" (prev->thread.sp), //当前进程的，在中断内部，在内核态，sp是内核堆栈的栈顶
[prev_ip] "=m" (prev->thread.ip), //当前进程的EIP
"=a" (last),

/* clobbered output registers: */
"=b" (ebx), "=c" (ecx), "=d" (edx),
"=S" (esi), "=D" (edi)

__switch_canary_oparam

/* input parameters: */

[next_sp] "m" (next->thread.sp), //下一个进程的内核堆栈的栈顶
[next_ip] "m" (next->thread.ip), //下一个进程的执行起点

/* regparm parameters for __switch_to(): */
[prev] "a" (prev), //寄存器的传递
[next] "d" (next)

__switch_canary_iparam

/* reloaded segment registers */
"memory");} while (0)