进程的切换和系统的一般执行过程
一、进程调度的时机
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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();
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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;
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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。
二、进程的切换
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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;
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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;
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进程上下文包含了进程执行需要的所有信息
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用户地址空间:包括程序代码,数据,用户堆栈等
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控制信息:进程描述符,内核堆栈等
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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)
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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
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next = pick_next_task(rq, prev);//进程调度算法都封装这个函数内部
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context_switch(rq, prev, next);//进程上下文切换
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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
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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" /* 保存当前进程的标志位 */ \
43 "pushl %%ebp\n\t" /* 保存当前进程的堆栈基址EBP */ \
44 "movl %%esp,%[prev_sp]\n\t" /* 保存当前栈顶ESP */ \
45 "movl %[next_sp],%%esp\n\t" /* 把下一个进程的栈顶放到esp寄存器中,完成了内核堆栈的切换,从此往下压栈都是在next进程的内核堆栈中。 */ \
46 "movl $1f,%[prev_ip]\n\t" /* 保存当前进程的EIP */ \
47 "pushl %[next_ip]\n\t" /* 把下一个进程的起点EIP压入堆栈 */ \
48 __switch_canary \
49 "jmp __switch_to\n" /* 因为是函数所以是jmp,通过寄存器传递参数,寄存器是prev-a,next-d,当函数执行结束ret时因为没有压栈当前eip,所以需要使用之前压栈的eip,就是pop出next_ip。 */
50 "1:\t" /* 认为next进程开始执行。 */
51 "popl %%ebp\n\t" /* restore EBP */ \
52 "popfl\n" /* restore flags */ \
53 /* output parameters 因为处于中断上下文,在内核中 prev_sp是内核堆栈栈顶 prev_ip是当前进程的eip */ \
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 __switch_canary_oparam \
64 \
65 /* input parameters: */ \
66 : [next_sp] "m" (next->thread.sp), \
67 [next_ip] "m" (next->thread.ip), \
68 \
69 /* regparm parameters for __switch_to(): */ \
70 [prev] "a" (prev), \
71 [next] "d" (next) \
72 \
73 __switch_canary_iparam \
74 \
75 : /* reloaded segment registers */ \
76 "memory"); \
77} while (0)
三、Linux系统的一般执行过程
1、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
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正在运行的用户态进程X
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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).
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SAVE_ALL //保存现场
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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
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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)
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restore_all //恢复现场
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iret - pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack
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继续运行用户态进程Y
2、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;
四、Linux操作系统架构和系统执行过程概览
1、操作系统基本概念
任何计算机系统都包含一个基本的程序集合,称为操作系统。
- 内核(进程管理,进程调度,进程间通讯机制,内存管理,中断异常处理,文件系统,I/O 系统,网络部分)
- 其他程序(例如函数库、shell程序、系统程序 等等)
操作系统的目的
- 与硬件交互,管理所有的硬件资源
- 为用户程序(应用程序)提供一个良好的执行环境
2、Linux系统架构
- 硬件管理
- 内核实现
- 系统调用
- 基础软件(shell、lib)
- 用户程序
3、最简单也是最复杂的操作ls
4、站在CPU和内存角度看Linux系统的执行
5、从内存的角度
五、Linux的系统结构
六、用gdb对schedule进行
1、环境搭建:
2、设置断点
3、list查看断点所在代码段,发现schedule()被调用
4、c之后按n单步执行,直到遇到__schedule函数
5、继续执行,直到发现context_switch函数
6、继续单步执行,直到发现context_switch函数
7、设置断点后,进入其内部查看