2018-2019-1 20189229 《Linux内核原理与分析》第九周作业
教材内容总结
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。
总结：
- 用户态进程只能被动调度
- 内核线程是只有内核态没有用户态的特殊进程
- 内核线程既可以主动调度也可以被动调度
进程调度策略与算法
- 调度策略：考虑到算法的整体目标，是追求资源利用率最高，还是追求响应最及时，或其他特定目标。
- 调度算法：考虑如何实现调度策略并满足设定的目标
进程的分类
- I/O消耗型进程：需要大量文件读写操作，cpu负载不高，大量时间在等待读写数据。
- 处理器消耗型进程：cpu占用率100%，但没有太多硬件进行读写操作。
- 交互式进程：大量人机交互，对系统响应时间要求较高。
- 批处理进程：在后台运行，占用大量系统资源。
- 实时进程：对调度延迟要求最高。
调度策略
- SCHED_FIFO 先进先出的实时进程，如果没有其它更高优先级的可运行实时进程，就可以一直使用cpu运行。
- SCHED_RR 时间片轮转的实时进程。
- SCHED_NORMAL 时间片轮转的普通进程。
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系统架构与执行过程
系统架构
如图：
ls执行过程
如图：
实验八 理解进程调度时机跟踪分析进程调度与进程切换的过程
配置MenuOS系统
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，如下图：
执行程序，程序分别停在schedule函数、pick_next_task函数断点、context_switch处，查看代码：
context_switch中单步执行，调用switch_to
switch_to函数如下所示：
31#define switch_to(prev, next, last)
32do {
33 /*
34 * Context-switching clobbers all registers, so we clobber
35 * them explicitly, via unused output variables.
36 * (EAX and EBP is not listed because EBP is saved/restored
37 * explicitly for wchan access and EAX is the return value of
38 * __switch_to())
39 */
40 unsigned long ebx, ecx, edx, esi, edi;
41
42 asm volatile("pushfl\n\t" /* 保存当前进程flags */
43 "pushl %%ebp\n\t" /* 当前进程堆栈基址压栈*/
44 "movl %%esp,%[prev_sp]\n\t" /*保存ESP，将当前堆栈栈顶保存起来*/
45 "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
46 "movl $1f,%[prev_ip]\n\t" /*保存当前进程EIP*/
47 "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*/
48
//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
49 "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
50 "1:\t" //next进程开始执行
51 "popl %%ebp\n\t"
52 "popfl\n"
53
54 /*输出变量定义*/
55 : [prev_sp] "=m" (prev->thread.sp), //[prev_sp]定义内核堆栈栈顶
56 [prev_ip] "=m" (prev->thread.ip), //[prev_ip]当前进程EIP
57 "=a" (last),
58
59 /* 要破坏的寄存器: */
60 "=b" (ebx), "=c" (ecx), "=d" (edx),
61 "=S" (esi), "=D" (edi)
62
63 __switch_canary_oparam
64
65 /* 输入变量: */
66 : [next_sp] "m" (next->thread.sp), //[next_sp]下一个内核堆栈栈顶
67 [next_ip] "m" (next->thread.ip),
68 //[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
69 /* regparm parameters for __switch_to(): */
70 [prev] "a" (prev),
71 [next] "d" (next)
72
73 __switch_canary_iparam
74
75 : /* 重新加载段寄存器 */
76 "memory");
77} while (0)
