Linux内核分析作业第八周

进程的切换和系统的一般执行过程

一、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。

二、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

next = pick_next_task(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

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

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

正在运行的用户态进程X
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).
SAVE_ALL //保存现场
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
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)
restore_all //恢复现场
iret - pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack
继续运行用户态进程Y