1 进程切换的关键代码switch_to分析
1.1 进程调度与进程调度的时机分析
1.1.1 进程的分类
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时间进行计算。
第二种分类：
批处理进程（batch process）：不必和用户交互，通常在后台进行；不必很快的响应；典型例子：编译程序、科学计算
实时进程（real-time process）：有实时要求、不应被优先级低的进程阻塞；响应时间短、要稳定；典型例子：视频/音频、机械控制
交互式进程（interactive process）：需要和用户交互，因此要花很多时间等待用户操作；响应时间快；典型例子：shell、文本编辑器、图形应用程序。
1.1.2 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（只有内核态没有用户态的特殊进程）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（只能被动调度），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。
1.2 进程上下文切换相关代码分析
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；进程上下文切换时两个进程在切换。
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
#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 */ "1:\t" "popl %%ebp\n\t" /* restore EBP */ "popfl\n" /* restore flags */ /* output parameters */ //thread.sp内核堆栈的栈底
: [prev_sp] "=m" (prev->thread.sp), //thread.ip进程的eip
[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->thread.sp下一个进程的内核堆栈的栈底
: [next_sp] "m" (next->thread.sp), //next->thread.ip下一个进程执行的起点
[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)
2 linux系统的一般执行过程
2.1一般的情况
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
- 正在运行的用户态进程X
- 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). //保存和加载有CPU自动完成
- SAVE_ALL //进入内核代码，首先保存现场
- 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
- 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)
- restore_all //恢复现场
- iret - pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack
- 继续运行用户态进程Y
2.2 几个特殊过程
- 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；
内核是各种中断处理过程和内核线程的集合，内核态的部分共享，是一样的。
3 linux系统架构和执行过程概览
3.1 linux系统架构概览
典型的linux架构
3.2 分析ls命令
4 从CPU和内存看Linux系统的执行
4.1 CPU角度
main函数中有个gets()以获取字符串，执行gets这个系统调用会陷入到内核态，在等待键盘输入的过程，CPU会调度到其他进程，同时，在执行其他进程的过程中，会等待输入。当在键盘上敲击字符时，会产生IO中断给CPU，CPU进行中断处理，在中断处理过程中，接受了一个键盘输入，进而判断是X进程在等待键盘输入。开始时，x进程执行到gets陷入到内核态时，若没有键盘输入会进入阻塞态，有了键盘输入后，会把X进程设为就绪态，进程管理切换到进程X，gets系统调用获得了读入的数据，返回到用户态，继续执行下一条指令。
4.2 从内存角度
