week 8 进程的切换和系统的一般执行过程

【 20135239 原文请转载请注明出处 《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000】

一、进程调度与进程调度的时机分析

• 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。
• 不同类型的进程有不同的调度需求
• 第一种分类：
  • I/O-bound
    • 频繁的进行I/O
    • 通常会花费很多时间等待I/O操作的完成
  • CPU-bound
    • 计算密集型
    • 需要大量的CPU时间进行运算
• 第二种分类
  • 批处理进程
    • 不必与用户交互，通常在后台运行
    • 不必很快响应
    • 典型的批处理程序：编译程序、科学计算
  • 实时进程
    • 有实时要求，不应被低优先级的进程阻塞
    • 响应时间要短、要稳定
    • 典型的实时进程：视频/音频、机械控制等
  • 交互式进程
    • 需要经常与用户交互，因此要花很长时间等待用户输入操作
    • 响应时间要快，平均延迟要低于50~150ms
    • 典型的交互式程序：shell、文本编辑程序、图形应用程序等
• Linux既支持普通的分时进程，也支持实时进程
• Linux中的调度是多种调度策略和调度算法的混合
• 什么事调度策略？
  • 是一组规则，他们决定什么时候以怎样的方式选择一个新进程运行
• Linux的调度基于分时和优先级
  • 随着版本的变化，分时技术在不断变化
• Linux的进程根据优先级排队
  • 根据特定的算法计算出进程的优先级，用一个值表示
  • 这个值表示把进程如何适当的分配给CPU
• Linux中进程的优先级是动态的
  • 调度程序会根据进程的行为周期性的调整进程的优先级
    • 较长时间未分配到CPU的进程，通常往上
    • 已经在CPU上运行了较长时间的进程通常往下
• 内核中的调度算法相关代码使用了类似OOD中的策略模式
• 将调度算法与其他部分耦合了
• ****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。

• 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
• 内核线程可以主动调度也可以被动调度

二、进程上下文代码的相关分析

• 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contextswitch进行上下文的切换，这个宏调用switchto来进行关键上下文切换

  • next = picknexttask(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

  • switchto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 ```1. 31#define switchto(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 * _switchto()) \
• 39 */ \
• 40 unsigned long ebx, ecx, edx, esi, edi; \
• 41 \
• 42 asm volatile("pushfl\n\t" /* save flags */ \
• 43 "pushl %%ebp\n\t" /* save EBP */ \
• 44 "movl %%esp,%[prev_sp]\n\t" /* save ESP */ \
• 45 "movl %[next_sp],%%esp\n\t" /* restore ESP */ \
• 46 "movl $1f,%[prev_ip]\n\t" /* save EIP */ \
• 47 "pushl %[next_ip]\n\t" /* restore EIP */ \
• 48 _switchcanary \
• 49 "jmp _switchto\n" /* regparm call */ \
• 50 "1:\t" \
• 51 "popl %%ebp\n\t" /* restore EBP */ \
• 52 "popfl\n" /* restore flags */ \
• 53 \
• 54 /* output parameters */ \
• 55 : [prev_sp] "=m" (prev->thread.sp), \
• 56 [prev_ip] "=m" (prev->thread.ip), \
• 57 "=a" (last), \
• 58 \
• 59 /* clobbered output registers: */ \
• 60 "=b" (ebx), "=c" (ecx), "=d" (edx), \
• 61 "=S" (esi), "=D" (edi) \
• 62 \
• 63 switchcanaryoparam \
• 64 \
• 65 /* input parameters: */ \
• 66 : [next_sp] "m" (next->thread.sp), \
• 67 [next_ip] "m" (next->thread.ip), \
• 68 \
• 69 /* regparm parameters for _switchto(): */ \
• 70 [prev] "a" (prev), \
• 71 [next] "d" (next) \
• 72 \
• 73 switchcanaryiparam \
• 74 \
• 75 : /* reloaded segment registers */ \
• 76 "memory"); \
• 77} while (0)
• nextip一般是￥1f，对于新创建的子进程是retfrom_fork

三、Linux系统的一般执行过程分析

• 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
• 中断上下文的切换和进程上下文的切换

四、Linux系统执行过程中的几个特殊情况

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；(nextip = retfrom_fork)

• 加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况，如execve；

五、内核与舞女

内核是各种中断处理过程和内核线程的组合。

六、Linux操作系统架构概览

• 操作系统的基本概念
• 
• 典型的Linux操作系统的结构
• 
• 最简单也是最复杂的操作
• 
• 站在CPU执行指令的角度
• 
• 从内存的角度来看
• 

七、最简单也是最复杂的操作--执行ls命令

• 在控制台下输入ls命令
• shell程序分析输入参数，确定这是ls命令
• 调用系统调用fork生成一个shell本身的拷贝
  • 什么是系统调用？----->>内存保护，内核态用户态相关问题
  • 系统调用是怎么实现的？--->>软中断、异常的概念、陷阱门、系统门
  • fork是什么？---->>>进程的描述、进程的创建
  • 为什么要调用fork--->COW技术
• 调用exec系统调用将ls的可执行文件装入内存
• 从系统调用返回
  • 如何做到正确的返回？
• shell和ls都得以执行-->>进程调度，运行队列等待队列的维护

八、从CPU和内存的角度看Linux系统的执行

1. 执行gets()函数；
2. 执行系统调用，陷入内核；
3. 等待输入，CPU会调度其他进程执行，同时wait一个I/O中断；
4. 敲击ls，发I/O中断给CPU，中断处理程序进行现场保存、压栈等等；
5. 中断处理程序发现X进程在等待这个I/O（此时X已经变成阻塞态），处理程序将X设置为WAKE_UP;
6. 进程管理可能会把进程X设置为next进程，这样gets系统调用获得数据，再返回用户态堆栈

1. 从内存角度看，所有的物理地址都会被映射到3G以上的地址空间：因为这部分对所有进程来说都是共享的