理解进程调度时机跟踪分析进程调度与进程切换的过程

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1.理解Linux系统中进程调度的时机，看都是哪里调用了schedule()

• 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）

• 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；

2.分析一个schedule()函数

• 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

      schedule() --> context_switch() --> switch_to  --> __switch_to()

  • 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

  • #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   */    \
                 __switch_canary                    \
                 "jmp __switch_to\n"    /* regparm call  */    \
    /*
    这里，如果之前B也被switch_to出去过，那么[next_ip]里存的就是下面这个1f的标号，但如果进程B刚刚被创建，之前没有被 switch_to出去过，
    那么[next_ip]里存的将是ret_ftom_fork（参看copy_thread()函数）。
    这就是这里为什么不用 call __switch_to而用jmp，因为call会导致自动把下面这句话的地址(也就是1:)压栈，
    然后__switch_to()就必然只能ret到这 里，而无法根据需要ret到ret_from_fork。
    
        另外请注意，这里__switch_to()返回时，将返回值prev_A又写入了%eax，这就使得在switch_to宏里面eax寄存器始终保存的 是prev_A的内容，或者，
    更准确的说，是指向A进程描述符的“指针”。
    
    */
                 "1:\t"                        \
                 "popl %%ebp\n\t"        /* restore EBP   */    \//如果从__switch_to()返回后从这里继续运行，那么说明在此之前B肯定被switch_to调出过，因此此前肯定备份了ebp_B和flags_B，这里执行恢复操作。
                 "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)                \
                                               \
                   __switch_canary_oparam                \
                                        \
                   /* 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)                \
                                        \
                   __switch_canary_iparam                \
                                        \
                 : /* reloaded segment registers */            \
                "memory");                    \
    } while (0)

     

这里面，schedule是主调度函数，涉及到一些调度算法，这里不讨论。当schedule()需要暂停A进程的执行而继续B进程的执行时，就发生了进 程之间的切换。进程切换主要有两部分：1、切换全局页表项；2、切换内核堆栈和硬件上下文。这个切换工作由context_switch()完成。其中 switch_to和__switch_to()主要完成第二部分。更详细的，__switch_to()主要完成硬件上下文切换，switch_to主 要完成内核堆栈切换。

    阅读switch_to时请注意：这是一个宏，不是函数，它的参数prev, next, last不是值拷贝，而是它的调用者context_switch()的局部变量。局部变量是通过%ebp寄存器来索引的，也就是通过n(%ebp)，n是编译时决定的，在不同的进程的同一段代码中，同一局部变量的n是相同的。在switch_to中，发生了堆栈的切换，即ebp发生了改变，所以要格外留意在任一时刻的局部变量属于哪一个进程。关于__switch_to()这个函数的调用，并不是通过普通的call来实现，而是直接jmp，函数参数也并不是通过堆栈来传递，而是通过寄存器来传递。

 

注意：

    这些代码是所有进程共用的，代码本身不属于某一个特定的进程，所以判定当前在哪一个进程不是通过看执行的代码是哪个进程的，而是通过esp指向哪个进程的 堆栈来判定的。所以，对于上面图中的切换点也可以这样理解，在这一点处，esp指向了其它进程的堆栈，当前进程即被挂起，等待若干时间，当esp指针再次 指回这个进程的堆栈时，这个进程又重新开始运行。

 3.实验

设置断点

进入schedule

进入context_switch

进入switch_to

参考文献

http://www.cnblogs.com/visayafan/archive/2011/12/10/2283660.html