Linux内核分析课程8_进程调度与进程切换过程

　　Linux内核课第八周作业。本文在云课堂中实验楼完成。
　　唐国泽 原创作品转载请注明出处 《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

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一.schedule()函数介绍

１.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。

2.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：
　　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）

3.具体进程切换的代码分析

　　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：
　　主要调用过程：
　　　　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

1)schedule()函数

　　首先，切换时候，调用call schedule()；来执行schedule（）函数，如下图所示：
　　
　　使用struct task_struct *tsk = current; 来获取当前进程；sched_submit_work(tsk); 避免死锁；最后调用＿schedule()来处理切换过程

２)＿schedule()函数

　　
　　其中 need_resched:为切换前的变量准备：
　　　　preempt_disable()；//禁止内核抢占；
　　　　cpu = smp_processor_id(); //获取当前CPU
　　　　rq = cpu_rq(cpu); //获取该CPU维护的运行队列（run queue)
　　　　rcu_note_context_switch(cpu); //更新全局状态，标识当前CPU发生上下文的切换
　　　　prev = rq->curr; //运行队列中的curr指针赋予prev。

　　
　　其中的next=pick_next_task(rq, prev)来确定使用哪一种进程调度的策略，但总是选择了下一个进程来进行切换，即根据调度策略选择一个优先级最高的任务将其定为下一个进程，最后都是调用context_switch来进行进程上下文的切换过程．

３)context_switch函数解析

　　
　　其中prepare_task_switch（）函数是完成切换前的准备工作；接着后面判断当前进程是不是内核线程，如果是内核线程，则不需要切换上下文
　　　
　　接着调用switch_mm(),把虚拟内存从一个进程映射切换到新进程中
　　调用switch_to(),从上一个进程的处理器状态切换到新进程的处理器状态。这包括保存、恢复栈信息和寄存器信息
　　(１)如果next是内核线程，则线程使用prev所使用的地址空;schedule( )函数把该线程设置为懒惰TLB模式
　　事实上，每个内核线程并不拥有自己的页表集(task_struct->mm = NULL)；更确切地说，它使用一个普通进程的页表集。不过，没有必要使一个用户态线性地址对应的TLB表项无效，因为内核线程不访问用户态地址空间。

　　(２)如果next是一个普通进程，schedule( )函数用next的地址空间替换prev的地址空间
　　|————————————–|
　　| } else |
　　| switch_mm(oldmm, mm, next); |
　　|————————————–|

　　(３)如果prev是内核线程或正在退出的进程，context_switch()函数就把指向prev内存描述符的指针保存到运行队列的prev_mm字段中，然后重新设置prev->active_mm
　　
　　context_switch()最后调用switch_to()执行prev和next之间的进程切换了
　　　　|———————————-|
　　　　| switch_to(prev, next, prev); |
　　　　|———————————-|
　　　　 return prev;
　　　　}

４)switch_to（）函数解析　

　　
　　switch_to(prev, next, prev)：切换堆栈和寄存器的状态．
　　
　　switch_to是一个宏定义，完成的工作主要是：
　　(1)保存当前进程的flags状态和当前进程的ebp
　　“pushfl\n\t” /* save flags */
　　“pushl %%ebp\n\t” /* save EBP */
　　(2)完成内核堆在esp的切换
　　 “movl %%esp,%[prev_sp]\n\t” /* save ESP */
　　 “movl %[next_sp],%%esp\n\t” /* restore ESP */
　　进程切换的时候，要修改堆栈，eip等数据．在switch_to中完成了这个工作。
　　(３)保存eip的值
　　“movl $1f,%[prev_ip]\n\t” /* save EIP */ \
　　“pushl %[next_ip]\n\t” /* restore EIP */ \
　　将标号1:的地址保存到prev->thread.ip中，然后下一次该进程被调用的时候，就从１的位置开始执行。
　　注明：如果之前next也被switch_to出去过，那么next->thread.ip里存的就是下面这个1f的标号，但如果next进程刚刚被创建，之前没有被switch_to出去过，那么next->thread.ip里存的将是ret_ftom_fork，即进程刚刚被fork后执行exec．
　　(4)jmp __switch_to
　　让参数不压入堆栈，而是使用寄存器传值，来调用__switch_to eax存放prev,edx存放next。

二.gdb跟踪schedule函数

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小结：整个schedule的执行过程如下图所示
　|———————————-|
　schedule
　　sched_submit_work(tsk)
　　_schedule()
　　　　pick_next_task
　　　　context_switch(rq,prev,next)
　　　　　　prepare_task_switch
　　　　　　判断是不是内核线程
　　　　　　switch_mm
　　　　　　switch_to
　　　　　　　　_switch_to
　　　　　　finish_task_switch