Linux内核分析——进程的切换和系统的一般执行过程

时间:2022-01-10 08:41:25

            进程的切换和系统的一般执行过程

一、进程切换的关键代码switch_to分析

(一)进程调度与进程调度的时机分析

  1、不同类型的进程有不同的调度需求

  第一种分类:

    (1)I/O-bound:频繁进行I/O,花费很多时间等待I/O操作的完成。

    (2)CPU-bound:计算密集型,需要大量CPU时间进行计算。

  第二种分类:

    (1)批处理进程:不必交互、很快响应。

    (2)实时进程:要求响应时间短。

    (3)交互式进程(shell)。

  2、调度策略:是一组规则,它们决定什么时候以怎样的方式选择一个新进程运行。

  3、linux进程调度是基于分时和优先级的。

  4、Linux的进程根据优先级排队。

  5、Linux中进程的优先级是动态的。

  6、内核中的调度算法相关代码使用了类似OOD中的策略模式。

  7、进程调度的时机:

    (1)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();

    (2)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;

    (3)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。

(二)进程上下文切换相关代码分析

  1、进程的切换

    (1)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;

    (2)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;

    (3)进程上下文包含了进程执行需要的所有信息

        1)用户地址空间:包括程序代码,数据,用户堆栈等

        2)控制信息:进程描述符,内核堆栈等

        3)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)

  2、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

    (1)next = pick_ next_task(rq, prev);//进程调度算法都封装这个函数内部

    (2)context_switch(rq, prev, next);//进程上下文切换

    (3)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

  3、schedule()中:

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  4、context_switch中:

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  5、switch_to中:

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"      /* save    flags */          //保存当前进程的flags

43           "pushl %%ebp\n\t"        /* save    EBP   */       //把当前进程的堆栈基址压栈

44           "movl %%esp,%[prev_sp]\n\t"  /* save    ESP   */   //把当前的栈顶保存到prev->thread.sp

45           "movl %[next_sp],%%esp\n\t"  /* restore ESP   */   //把下一个进程的栈顶保存到esp中,这两句完成了内核堆栈的切换

46           "movl $1f,%[prev_ip]\n\t"    /* save    EIP   */   //保存当前进程的EIP,可以从这恢复

47           "pushl %[next_ip]\n\t"   /* restore EIP   */       //把下一个进程的起点位置压到堆栈,就是next进程的栈顶。next_ip一般是$1f,对于新创建的子进程是ret_from_fork

             //一般用return直接把next_ip pop出来

48           __switch_canary                  

49           "jmp __switch_to\n"  /* regparm call  */  //jmp通过寄存器传递参数,即后面的a,d。 函数__switch_to也有return把next_ip pop出来    

50           "1:\t"              //认为从这开始执行next进程(EIP角度),第一条指令是next_ip这个起点,但前面已经完成内核堆栈的切换,早就是next进程的内核堆栈(算prev进程,比较模糊)         

51           "popl %%ebp\n\t"     /* restore EBP   */  //next进程曾经是prev进程,压栈过ebp 

52           "popfl\n"         /* restore flags */ 

53                                 

54           /* output parameters */               

55           : [prev_sp] "=m" (prev->thread.sp),     //当前进程的,在中断内部,在内核态,sp是内核堆栈的栈顶

56             [prev_ip] "=m" (prev->thread.ip),     //当前进程的EIP 

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),    //下一个进程的内核堆栈的栈顶    

67             [next_ip]  "m" (next->thread.ip),    //下一个进程的执行起点

68                                      

69             /* regparm parameters for __switch_to(): */ 

70             [prev]     "a" (prev),               //寄存器的传递

71             [next]     "d" (next)              

72                                 

73             __switch_canary_iparam               

74                                 

75           : /* reloaded segment registers */           

76          "memory");                 

77} while (0)

二、Linux系统的一般执行过程

(一)Linux系统的一般执行过程分析

  1、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

(二)Linux系统执行过程中的几个特殊情况

  1、几种特殊情况

    (1)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;

    (2)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;

    (3)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;

    (4)加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况,如execve;

三、Linux系统架构和执行过程概览

(一)Linux操作系统架构概览

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(二)最简单也是最复杂的操作--执行ls命令

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(三)从CPU和内存的角度看Linux系统的执行

  1、CPU执行指令的角度:

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  2、内存的角度:

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四、实验

  1、环境搭建

    cd LinuxKernel  

    rm menu -rf

    git clone https://github.com/mengning/menu.git

    cd menu

    mv test_exec.c test.c

    make rootfs

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  2、gdb调试

    Qemu –kernel ../linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd  ../rootfs.img -s -S

    gdb

    file ../linux-3.18.6/vmlinux

    target remote:1234

  3、设置断点

    b schedule

    b pick_next_task

    b context_switch

    b switch_to

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五、总结

  1、Linux进程调度是基于分时和优先级的。

  2、Linux中,内核线程是只有内核态没有用户态的特殊进程。

  3、内核可以看作各种中断处理过程和内核线程的集合。

  4、Linux系统的一般执行过程 可以抽象成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。

  5、Linux中,内核线程可以主动调度,主动调度时不需要中断上下文的切换。

  6、Linux内核调用schedule()函数进行调度,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。