進程的切換和系統的一般執行過程

一、進程調度的時機

• 中斷處理過程（包括時鐘中斷、I/O中斷、系統調用和異常）中，直接調用schedule()，或者返回用戶態時根據need_resched標記調用schedule()；

• 內核線程可以直接調用schedule()進行進程切換，也可以在中斷處理過程中進行調度，也就是說內核線程作為一類的特殊的進程可以主動調度，也可以被動調度；

• 用戶態進程無法實現主動調度，僅能通過陷入內核態后的某個時機點進行調度，即在中斷處理過程中進行調度。

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二、進程的切換

• 為了控制進程的執行，內核必須有能力掛起正在CPU上執行的進程，并恢復以前掛起的某個進程的執行，這叫做進程切換、任務切換、上下文切換；

• 掛起正在CPU上執行的進程，與中斷時保存現場是不同的，中斷前后是在同一個進程上下文中，只是由用戶態轉向內核態執行；

• 進程上下文包含了進程執行需要的所有信息

  • 用戶地址空間：包括程序代碼，數據，用戶堆棧等

  • 控制信息：進程描述符，內核堆棧等

  • 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）

• schedule()函數選擇一個新的進程來運行，并調用context_switch進行上下文的切換，這個宏調用switch_to來進行關鍵上下文切換

  • next = pick_next_task(rq, prev);//進程調度算法都封裝這個函數內部
  • context_switch(rq, prev, next);//進程上下文切換

  • switch_to利用了prev和next兩個參數：prev指向當前進程，next指向被調度的進程

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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" /* 保存當前進程的標志位 */ \ 43 "pushl %%ebp\n\t" /* 保存當前進程的堆棧基址EBP */ \ 44 "movl %%esp,%[prev_sp]\n\t" /* 保存當前棧頂ESP */ \ 45 "movl %[next_sp],%%esp\n\t" /* 把下一個進程的棧頂放到esp寄存器中，完成了內核堆棧的切換，從此往下壓棧都是在next進程的內核堆棧中。 */ \ 46 "movl $1f,%[prev_ip]\n\t" /* 保存當前進程的EIP */ \ 47 "pushl %[next_ip]\n\t" /* 把下一個進程的起點EIP壓入堆棧 */ \ 48 __switch_canary \ 49 "jmp __switch_to\n" /* 因為是函數所以是jmp，通過寄存器傳遞參數，寄存器是prev-a，next-d，當函數執行結束ret時因為沒有壓棧當前eip，所以需要使用之前壓棧的eip，就是pop出next_ip。 */ 50 "1:\t" /* 認為next進程開始執行。 */ 51 "popl %%ebp\n\t" /* restore EBP */ \ 52 "popfl\n" /* restore flags */ \ 53 /* output parameters 因為處于中斷上下文，在內核中 prev_sp是內核堆棧棧頂 prev_ip是當前進程的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)

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三、Linux系統的一般執行過程

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1、最一般的情況：正在運行的用戶態進程X切換到運行用戶態進程Y的過程?

正在運行的用戶態進程X

發生中斷——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).

SAVE_ALL //保存現場

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

標號1之后開始運行用戶態進程Y(這里Y曾經通過以上步驟被切換出去過因此可以從標號1繼續執行)

restore_all //恢復現場

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

繼續運行用戶態進程Y

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2、幾種特殊情況

• 通過中斷處理過程中的調度時機，用戶態進程與內核線程之間互相切換和內核線程之間互相切換，與最一般的情況非常類似，只是內核線程運行過程中發生中斷沒有進程用戶態和內核態的轉換；

• 內核線程主動調用schedule()，只有進程上下文的切換，沒有發生中斷上下文的切換，與最一般的情況略簡略；
• 創建子進程的系統調用在子進程中的執行起點及返回用戶態，如fork；
• 加載一個新的可執行程序后返回到用戶態的情況，如execve；

四、Linux操作系統架構和系統執行過程概覽

1、操作系統基本概念

任何計算機系統都包含一個基本的程序集合，稱為操作系統。

• 內核（進程管理，進程調度，進程間通訊機制，內存管理，中斷異常處理，文件系統，I/O 系統，網絡部分）
• 其他程序（例如函數庫、shell程序、系統程序 等等）

操作系統的目的

• 與硬件交互，管理所有的硬件資源
• 為用戶程序（應用程序）提供一個良好的執行環境

2、Linux系統架構

• 硬件管理
• 內核實現
• 系統調用
• 基礎軟件（shell、lib）
• 用戶程序

3、最簡單也是最復雜的操作ls

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4、站在CPU和內存角度看Linux系統的執行

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5、從內存的角度

五、Linux的系統結構

六、用gdb對schedule進行

1、環境搭建：

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2、設置斷點

3、list查看斷點所在代碼段，發現schedule（）被調用

4、c之后按n單步執行，直到遇到__schedule函數

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5、繼續執行，直到發現context_switch函數

6、繼續單步執行，直到發現context_switch函數

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7、設置斷點后，進入其內部查看

轉載于:https://www.cnblogs.com/20135231hj/p/5379217.html

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Linux内核分析作业第八周的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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