20135239 益西拉姆 linux内核分析 进程的切换和系统的一般执行过程

时间:2022-04-08 12:27:02

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

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  • 典型的Linux操作系统的结构

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  • 最简单也是最复杂的操作

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  • 站在CPU执行指令的角度

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  • 从内存的角度来看

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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

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  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

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