Linux0.11内核--进程的调度(就绪态和运行态之间的转换)

进程的调度

linux系统中，一个进程有5种可能状态，在sched.c第19行处定义了状态的标识：

#define TASK_RUNNING 0 // 正在运行或可被运行状态

#define TASK_INTERRUPTIBLE 1 // 可被中断睡眠状态

#define TASK_UNINTERRUPTIBLE 2 // 不可中断睡眠状态

#define TASK_ZOMBIE 3 // 僵死状态

#define TASK_STOPPED 4 // 停止状态

各种状态的转换图如下：

就绪态和运行态之间的转换

当前占用CPU的进程调只有用了schedule()函数后，才可能会从运行态进入就绪态。Schedule()函数按照一定的选择策略选中处于TASK_RUNNING态（包括用户运行态，内核运行态和就绪态）的某个进程，然后切换到该进程去执行。这时被选中的进程进入运行态，开始使用CPU资源。被选中的进程可能是刚刚调用schedule()函数的进程，也可能是其他进程。

schedule()函数在3种情况下会被调用

1. 用户态时发生了时钟中断；

2. 系统调用时相应的sys_XXXX函数返回后；

3. 睡眠函数内；

第一种情况发生在用户态。当时钟中断产生时，如果进程运行在用户态时并且时间片用完，中断处理函数do_timer()会调用schedule()函数，这相当于用户态的运行被抢断了。如果进程处在内核态时发生时钟中断，do_timer()不会调用schedule()函数，也就是内核态是不能被抢断的。当一个进程运行在内核态，除非它自愿调用schedule()函数而放弃CPU的使用权，它将永远占用CPU。由于schedule()不是系统调用，用户程序不能调用，所以在时钟中断中调用schedule()是必要的，这样保证用户态的程序不会独占CPU。

第二种情况就是为了对付运行在内核态的进程。应用程序一般通过系统调用进入内核态，因此linux 0.11在系统调用处理函数（sys_XXXX()）结束后，int 0x80处理函数会检查当前进程的时间片和状态，如果时间片用完或状态不是TASK_RUNNING，会调用schedule()函数。这时相当于内核态进程主动放弃对对CPU的占用。由此可见，如果某个系统调用处理函数或者中断异常处理函数永远不退出，比如进入死循环或者等待其他资源，整个系统死锁，任何进程都无法运行。

比较前两种情况，我们看到linux有保证用户态的程序不独占CPU的机制，却不能保证内核态程序不独占CPU。这也反映了系统级别开发和用户级别开发的不同之处。系统程序员需要考虑更多的问题。

第三种情况在下面一节运行态（包括就绪态）和睡眠态之间的转换中讨论。当进程等待的资源还不可用时，它进入睡眠态，并且调用schedule()让出CPU。

switch_to() （sched.h 第173行）

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1. /****************************************************************************/  
2. /* 功能：切换到任务号（即task[]数组下标）为n的任务                          */  
3. /* 参数：n 任务号                                                         */  
4. /* 返回：（无）                                                               */  
5. /****************************************************************************/  
6. // 整个宏定义利用ljmp指令跳转到TSS段选择符来实现任务切换  
7. #define switch_to(n) {/  
8. // __tmp用来构造ljmp的操作数。该操作数由4字节偏移和2字节选择符组成。当选择符  
9. // 是TSS选择符时，指令忽略4字节偏移。  
10. // __tmp.a存放的是偏移，__tmp.b的低2字节存放TSS选择符。高两字节为0。  
11. // ljmp跳转到TSS段选择符会造成任务切换到TSS选择符对应的进程。  
12. // ljmp指令格式是 ljmp 16位段选择符：32位偏移，但如果操作数在内存中，顺序正好相反。  
13. // %0   内存地址    __tmp.a的地址，用来放偏移  
14. // %1   内存地址    __tmp.b的地址，用来放TSS选择符  
15. // %2   edx         任务号为n的TSS选择符  
16. // %3   ecx         task[n]  
17. struct {long a,b;} __tmp; /  
18. __asm__("cmpl %%ecx,current/n/t" /  // 如果要切换的任务是当前任务  
19.     "je 1f/n/t" /                   // 直接退出  
20.     "movw %%dx,%1/n/t" /            // 把TSS选择符放入__tmp.b中  
21.     "xchgl %%ecx,current/n/t" /     // 让current指向新进程的task_struct  
22.     "ljmp *%0/n/t" /                // 任务切换在这里发生，CPU会搞定一切  
23.     "cmpl %%ecx,last_task_used_math/n/t" /  // 除进程第一次被调度外，以后进程从就绪  
24.                                         // 态返回运行态后，都从这里开始运行。因  
25.                                         // 而返回到的是内核运行态。  
26.     "jne 1f/n/t" /  
27.     "clts/n" /  
28.     "1:" /  
29.     ::"m" (*&__tmp.a),"m" (*&__tmp.b), /  
30.     "d" (_TSS(n)),"c" ((long) task[n])); /  
31. }  

 

schedule()（sched.c 第104行）

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1. /****************************************************************************/  
2. /* 功能：进程调度。                                                         */  
3. /*       先对alarm和信号进行处理，如果某个进程处于可中断睡眠状态，并且收 */  
4. /*       到信号，则把进程状态改成可运行。之后在处可运行状态的进程中挑选一个  */  
5. /*       并用switch_to()切换到那个进程                                       */  
6. /* 参数：（无）                                                               */  
7. /* 返回：（无）                                                               */  
8. /****************************************************************************/  
9. void schedule(void)  
10. {  
11.     int i,next,c;  
12.     struct task_struct ** p;  
13. /* check alarm, wake up any interruptible tasks that have got a signal */  
14. // 首先处理alarm信号，唤醒所有收到信号的可中断睡眠进程  
15.     for(p = &LAST_TASK ; p > &FIRST_TASK ; --p)  
16.         if (*p) {  
17.             // 如果进程设置了alarm，并且alarm已经到时间了  
18.             if ((*p)->alarm && (*p)->alarm < jiffies) {  
19.                     // 向该进程发送SIGALRM信号  
20.                     (*p)->signal |= (1<<(SIGALRM-1));  
21.                     (*p)->alarm = 0; // 清除alarm  
22.                 }  
23. //可屏蔽信号位图BLOCKABLE定义在sched.c第24行，(~(_S(SIGKILL) | _S(SIGSTOP)))  
24. // 说明SIGKILL和SIGSTOP是不能被屏蔽的。  
25. // 可屏蔽信号位图 & 当前进程屏蔽的信号位图 = 当前进程实际屏蔽的信号位图  
26. // 当前进程收到的信号位图 & ~当前进程实际屏蔽的信号位图   
27. //                          = 当前进程收到的允许相应的信号位图  
28. // 如果当前进程收到允许相应的信号，并且当前进程处于可中断睡眠态  
29. // 则把状态改成运行态，参与下面的选择过程  
30.             if (((*p)->signal & ~(_BLOCKABLE & (*p)->blocked)) &&  
31.             (*p)->state==TASK_INTERRUPTIBLE)  
32.                 (*p)->state=TASK_RUNNING;  
33.         }  
34. /* this is the scheduler proper: */  
35. // 下面是进程调度的主要部分  
36.     while (1) {  
37.         c = -1;  
38.         next = 0;  
39.         i = NR_TASKS;  
40.         p = &task[NR_TASKS];  
41.         while (--i) {       // 遍历整个task[]数组  
42.             if (!*--p)      // 跳过task[]中的空项  
43.                 continue;  
44.             // 寻找剩余时间片最长的可运行进程，  
45. //  c记录目前找到的最长时间片  
46. // next记录目前最长时间片进程的任务号  
47.             if ((*p)->state == TASK_RUNNING && (*p)->counter > c)  
48.                 c = (*p)->counter, next = i;  
49.         }  
50.     // 如果有进程时间片没有用完c一定大于0。这时退出循环，执行 switch_to任务切换  
51.         if (c) break;  
52.     // 到这里说明所有可运行进程的时间片都用完了，则利用任务优先级重新分配时间片。  
53.     // 这里需要重新设置所有任务的时间片，而不光是可运行任务的时间片。  
54.     // 利用公式：counter = counter/2 + priority  
55.         for(p = &LAST_TASK ; p > &FIRST_TASK ; --p)  
56.             if (*p)  
57.                 (*p)->counter = ((*p)->counter >> 1) +  
58.                         (*p)->priority;  
59.     // 整个设置时间片过程结束后，重新进入进程选择过程  
60.     }  
61.     // 当的上面的循环退出时，说明找到了可以切换的任务  
62.     switch_to(next);  
63. }  

 

当前进程只有调用了schedule()后才能发生进程切换，因此当进程再次被选中执行后，都是从switch_to()中ljmp后一条语句开始执行，即从"cmpl %%ecx,last_task_used_math/n/t"语句继续，这时进程位于内核态。因此进程从就绪态进入的都是内核运行态。但有一个例外，进程产生后第一次被调度执行。

fork()产生的子进程会把父进程原cs、原eip当作初始的cs、eip，所以子进程刚刚创建时处于用户态。第一次进程被调度时，从就绪态进入的是用户运行态。以后进入的都是内核运行态。