2019-2020-1 20199315《Linux内核原理与分析》第九周作业

《庖丁解牛》第8章：进程的切换和系统的一般执行过程

一、课程内容总结

1、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。

2、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。

3、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

4、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；

ch_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系统架构与执行过程

系统架构

如图：

ls执行过程

如图：

实验楼实验八

要求

• 理解进程调度时机跟踪分析进程调度与进程切换的过程

  • 理解Linux系统中进程调度的时机，可以在内核代码中搜索schedule()函数，看都是哪里调用了schedule()，判断我们课程内容中的总结是否准确；

  • 使用gdb跟踪分析一个schedule()函数 ，验证您对Linux系统进程调度与进程切换过程的理解；推荐在实验楼Linux虚拟机环境下完成实验。

  • 特别关注并仔细分析switch_to中的汇编代码，理解进程上下文的切换机制，以及与中断上下文切换的关系；

在shell中依次运行以下命令，获取本次实验的代码，并编译运行

cd LinuxKernel

rm menu -rf

git clone https://github.com/mengning/menu.git

cd menu

mv test_exec.c test.c

make rootfs

使用gdb跟踪分析schedule()函数，在schedule、context_switch、switch_to、pick_next_task处设置断点，由于switch_to为宏定义，所以实际为在函数__switch_to处设置断点

cd ..

（分割）

qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -s -S

gdb

file ../linux-3.18.6/vmlinux

target remote:1234

b schedule

b context_switch

b switch_to

b __switch_to

b pick_next_task

c执行程序，程序分别停在schedule函数、pick_next_task函数断点、context_switch处

分析switch_to得代码：

#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)

简单提一下这个宏和函数的被调用关系：

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

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。

实验总结

通过实验可知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。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。