進(jìn)程的調(diào)度時(shí)機(jī)與進(jìn)程的切換

操作系統(tǒng)原理中介紹了大量進(jìn)程調(diào)度算法，這些算法從實(shí)現(xiàn)的角度看僅僅是從運(yùn)行隊(duì)列中選擇一個(gè)新進(jìn)程，選擇的過程中運(yùn)用了不同的策略而已。

對(duì)于理解操作系統(tǒng)的工作機(jī)制，反而是進(jìn)程的調(diào)度時(shí)機(jī)與進(jìn)程的切換機(jī)制更為關(guān)鍵。

調(diào)度時(shí)機(jī) 背景

不同類型的進(jìn)程有不同的調(diào)度需求

第一種分類：

I/O-bound

頻繁的進(jìn)行I/O

通常會(huì)花費(fèi)很多時(shí)間等待I/O操作的完成

CPU-bound

計(jì)算密集型

需要大量的CPU時(shí)間進(jìn)行運(yùn)算

第二種分類

批處理進(jìn)程(batch process)

不必與用戶交互，通常在后臺(tái)運(yùn)行

不必很快響應(yīng)

典型的批處理程序：編譯程序、科學(xué)計(jì)算

實(shí)時(shí)進(jìn)程(real-time process)

有實(shí)時(shí)需求，不應(yīng)被低優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程阻塞

響應(yīng)時(shí)間要短、要穩(wěn)定

典型的實(shí)時(shí)進(jìn)程：視頻/音頻、機(jī)械控制等

交互式進(jìn)程(interactive process)

需要經(jīng)常與用戶交互，因此要花很多時(shí)間等待用戶輸入操作

響應(yīng)時(shí)間要快，平均延遲要低于50~150ms

典型的交互式程序：shell、文本編輯程序、圖形應(yīng)用程序等

Linux中的進(jìn)程調(diào)度

Linux既支持普通的分時(shí)進(jìn)程，也支持實(shí)時(shí)進(jìn)程

Linux中的調(diào)度是多種調(diào)度策略和調(diào)度算法的混合。

什么是調(diào)度策略？

是一組規(guī)則，它們決定什么時(shí)候以怎樣的方式選擇一個(gè)新進(jìn)程運(yùn)行

Linux的調(diào)度基于分時(shí)和優(yōu)先級(jí)

隨著版本的變化，分時(shí)技術(shù)在不斷變化

Linux的進(jìn)程根據(jù)優(yōu)先級(jí)排隊(duì)

根據(jù)特定的算法計(jì)算出進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)，用一個(gè)值表示

這個(gè)值表示把進(jìn)程如何適當(dāng)?shù)姆峙浣oCPU

Linux中進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)是動(dòng)態(tài)的

調(diào)度程序會(huì)根據(jù)進(jìn)程的行為周期性的調(diào)整進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)

較長(zhǎng)時(shí)間未分配到CPU的進(jìn)程，通?！?/p>

已經(jīng)在CPU上運(yùn)行了較長(zhǎng)時(shí)間的進(jìn)程，通?！?/p>

相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用

nice

getpriority/setpriority

sched_getscheduler/sched_setscheduler

sched_getparam/sched_setparam

sched_yield

sched_get_priority_min/sched_get_priority_max

sched_rr_get_interval

scheudle 函數(shù)

schedule函數(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)度

目的：在運(yùn)行隊(duì)列中找到一個(gè)進(jìn)程，把CPU分配給它

調(diào)用方法：

直接調(diào)用，如sleep_on

松散調(diào)用，根據(jù)need_resched標(biāo)記

進(jìn)程調(diào)度的時(shí)機(jī)(重點(diǎn))

中斷處理過程(包括時(shí)鐘中斷、I/O中斷、系統(tǒng)調(diào)用和異常)中，直接調(diào)用schedule()，或者返回用戶態(tài)時(shí)根據(jù) need_resched 標(biāo)記調(diào)用schedule()；

內(nèi)核線程可以直接調(diào)用schedule()進(jìn)行進(jìn)程切換，也可以在中斷處理過程中進(jìn)行調(diào)度，也就是說內(nèi)核線程作為一類的特殊的進(jìn)程可以主動(dòng)調(diào)度，也可以被動(dòng)調(diào)度；

用戶態(tài)進(jìn)程無法實(shí)現(xiàn)主動(dòng)調(diào)度，僅能通過陷入內(nèi)核態(tài)后的某個(gè)時(shí)機(jī)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)度，即在中斷處理過程中進(jìn)行調(diào)度。

用戶態(tài)被動(dòng)調(diào)度

內(nèi)核線程只有內(nèi)核態(tài)沒有用戶態(tài)的特殊進(jìn)程，無需系統(tǒng)調(diào)用。

插曲：張銀奎說程序進(jìn)入內(nèi)核態(tài)猶如人睡覺啦。這個(gè)笑話很有意思

進(jìn)程的切換

為了控制進(jìn)程的執(zhí)行，內(nèi)核必須有能力掛起正在CPU上執(zhí)行的進(jìn)程，并恢復(fù)以前掛起的某個(gè)進(jìn)程的執(zhí)行，這叫做進(jìn)程切換、任務(wù)切換、上下文切換；

掛起正在CPU上執(zhí)行的進(jìn)程，與中斷時(shí)保存現(xiàn)場(chǎng)是不同的，中斷前后是在同一個(gè)進(jìn)程上下文中，只是由用戶態(tài)轉(zhuǎn)向內(nèi)核態(tài)執(zhí)行；

區(qū)別是否是同一個(gè)進(jìn)程

進(jìn)程上下文包含了進(jìn)程執(zhí)行需要的所有信息

用戶地址空間：包括程序代碼，數(shù)據(jù)，用戶堆棧等

控制信息：進(jìn)程描述符，內(nèi)核堆棧等

硬件上下文(注意中斷也要保存硬件上下文只是保存的方法不同)

還有硬件上下文

schedule()函數(shù)選擇一個(gè)新的進(jìn)程來運(yùn)行，并調(diào)用context_switch進(jìn)行上下文的切換，這個(gè)宏調(diào)用switch_to來進(jìn)行關(guān)鍵上下文切換

next = pick_next_task(rq, prev);//進(jìn)程調(diào)度算法都封裝這個(gè)函數(shù)內(nèi)部

context_switch(rq, prev, next);//進(jìn)程上下文切換

switch_to利用了prev和next兩個(gè)參數(shù)：prev指向當(dāng)前進(jìn)程，next指向被調(diào)度的進(jìn)程

進(jìn)程代碼切換代碼分析(重點(diǎn))

第一節(jié)第二堂課

位置：kernel/sched/core.c

如果想看到這里面詳細(xì)的值，可以使用gcc -O0試試

待補(bǔ)充

esp eip 切換 ，

esp 先切換

eip 再切換

利用push eip +call 起到了類似的call 作用，但是靈活修改了eip 。/這點(diǎn)很牛/

Linux系統(tǒng)的一般執(zhí)行過程

位置：教程第二節(jié)第一講

最一般的情況：正在運(yùn)行的用戶態(tài)進(jìn)程X切換到運(yùn)行用戶態(tài)進(jìn)程Y的過程

在運(yùn)行的用戶態(tài)進(jìn)程X 發(fā)生中斷，硬件完成以下：

save cs:eip/esp/eflags(current) to kernel stack

load cs:eip(entry of a specific ISR) and ss:esp(point to kernel stack).

SAVE_ALL //保存現(xiàn)場(chǎng)

中斷處理過程中或中斷返回前調(diào)用了schedule()，其中的switch_to做了關(guān)鍵的進(jìn)程上下文切換

標(biāo)號(hào)1之后開始運(yùn)行用戶態(tài)進(jìn)程Y(這里Y曾經(jīng)通過以上步驟被切換出去過因此可以從標(biāo)號(hào)1繼續(xù)執(zhí)行)

已經(jīng)變成Y進(jìn)程上下文，真是 莊周做夢(mèng)

restore_all //恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)

iret - pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack

繼續(xù)運(yùn)行用戶態(tài)進(jìn)程Y

進(jìn)程間的 幾種特殊情況

先普通 再特殊

通過中斷處理過程中的調(diào)度時(shí)機(jī)，用戶態(tài)進(jìn)程與內(nèi)核線程之間互相切換和內(nèi)核線程之間互相切換，與最一般的情況非常類似，只是內(nèi)核線程運(yùn)行過程中發(fā)生中斷沒有進(jìn)程用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的轉(zhuǎn)換；

2個(gè)內(nèi)核線程之間切換，cs段沒有改變我

用戶進(jìn)程和內(nèi)核線程間切換

內(nèi)核線程主動(dòng)調(diào)用schedule()，只有進(jìn)程上下文的切換，沒有發(fā)生中斷上下文的切換，與最一般的情況略簡(jiǎn)略；

沒有發(fā)生中斷，也就是沒有int 指令和iret指令喔，

創(chuàng)建子進(jìn)程的系統(tǒng)調(diào)用在子進(jìn)程中的執(zhí)行起點(diǎn)及返回用戶態(tài)，如fork；

pre :parent next: child so next_ip=ret_from_fork ,不是switch_to中的標(biāo)號(hào)1喔

加載一個(gè)新的可執(zhí)行程序后返回到用戶態(tài)的情況，如execve；

pre：parent

next:execve產(chǎn)生的進(jìn)程(記住，execve也是系統(tǒng)調(diào)用)

聯(lián)想start_thread(execve內(nèi)部),里面有修改進(jìn)程上下文的內(nèi)容喔，所以以新的中斷上下文返回

開眼界 內(nèi)核 舞女

dancing girls vs Taxi girl

0-3g

3g-4g 內(nèi)核態(tài)

如果每個(gè)進(jìn)程都有自己的內(nèi)核棧，如何切換？

原因是：內(nèi)核態(tài)下(3G以上空間)，各進(jìn)程的代碼段/堆棧段是可以統(tǒng)一訪問的

借用老師的話：內(nèi)核是taxi

內(nèi)核是什么？

內(nèi)核是各種中斷處理過程和內(nèi)核線程的集合！ 精煉啊 大道至簡(jiǎn) 道法自然

Linux操作系統(tǒng)架構(gòu)和系統(tǒng)執(zhí)行過程概覽

操作系統(tǒng)的基本概念

? 任何計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都包含一個(gè)基本的程序集 合，稱為操作系統(tǒng)。

– 內(nèi)核(進(jìn)程管理，進(jìn)程調(diào)度，進(jìn)程間通訊機(jī) 制，內(nèi)存管理，中斷異常處理，文件系統(tǒng)，I/O 系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)部分)

– 其他程序(例如函數(shù)庫、shell程序、系統(tǒng)程序 等等)

? 操作系統(tǒng)的目的

– 與硬件交互，管理所有的硬件資源

– 為用戶程序(應(yīng)用程序)提供一個(gè)良好的執(zhí)行 環(huán)境

典型的Linux操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圍繞系統(tǒng)架構(gòu)圖

最簡(jiǎn)單也是最復(fù)雜的操作

ls 命令 就是 一講！ 不簡(jiǎn)單

有時(shí)間的話 可以看看strace

換個(gè)角度 cpu執(zhí)行指令 +內(nèi)存角度看

某種程度上說，

cpu執(zhí)行指令的演示很精彩

后者就是在說進(jìn)程地址空間

本章要求 理解進(jìn)程調(diào)度時(shí)機(jī)跟蹤分析進(jìn)程調(diào)度與進(jìn)程切換的過程

理解Linux系統(tǒng)中進(jìn)程調(diào)度的時(shí)機(jī)，可以在內(nèi)核代碼中搜索schedule()函數(shù)，看都是哪里調(diào)用了schedule()，判斷我們課程內(nèi)容中的總結(jié)是否準(zhǔn)確；

驗(yàn)證

使用gdb跟蹤分析一個(gè)schedule()函數(shù) ，驗(yàn)證您對(duì)Linux系統(tǒng)進(jìn)程調(diào)度與進(jìn)程切換過程的理解；推薦在實(shí)驗(yàn)樓Linux虛擬機(jī)環(huán)境下完成實(shí)驗(yàn)。

特別關(guān)注并仔細(xì)分析switch_to中的匯編代碼，理解進(jìn)程上下文的切換機(jī)制，以及與中斷上下文切換的關(guān)系；

根據(jù)本周所學(xué)知識(shí)分析并理解Linux中進(jìn)程調(diào)度與進(jìn)程切換過程，撰寫一篇署名博客，并在博客文章中注明“真實(shí)姓名(與最后申請(qǐng)證書的姓名務(wù)必一致) + 原創(chuàng)作品轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處 + 《Linux內(nèi)核分析》MOOC課程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000 ”，博客內(nèi)容的具體要求如下：

題目自擬，內(nèi)容圍繞對(duì)進(jìn)程調(diào)度的時(shí)機(jī)和進(jìn)程切換進(jìn)行；

可以結(jié)合關(guān)鍵代碼、實(shí)驗(yàn)截圖、堆棧狀態(tài)、CPU寄存器狀態(tài)等；

博客內(nèi)容中需要仔細(xì)分析進(jìn)程的調(diào)度時(shí)機(jī)、switch_to及對(duì)應(yīng)的堆棧狀態(tài)等。

總結(jié)部分需要闡明自己對(duì)“Linux系統(tǒng)一般執(zhí)行過程”的理解

其他

可以找到一個(gè)ppt 講 switch_to ,看寄存器變化嗎？

mykernel其實(shí)就是一個(gè)簡(jiǎn)化版本的switch

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的linux每隔多久调度y,Linux 进程调度+Linux系统一般执行过程 笔记的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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