进程的切换与系统的一般执行过程

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();

  • 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。

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;

  • 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

 

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 

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;

 

Linux操作系统架构和系统执行过程

操作系统的基本概念

操作系统:任何计算机系统包含的一个基本的程序集合

  • 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(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

最简单也是最复杂的操作ls

CPU执行指令

内存在执行指令过程中

 

实验:使用gdb跟踪分析schedule函数执行过程

远程调试并设置断点

调试运行

 实验总结:schedule()函数用来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,其中pick_next_task()函数封装了进程调度算法

posted on 2016-04-17 11:43  20135222  阅读(5155)  评论(0编辑  收藏

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