Linux进程调度——schedule()函数分析

刘森林 原创作品转载请注明出处 《Linux内核分析》MOOC课程
打开终端中输入qemu –kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage –initrd rootfs.img –S –s
然后打开另一个终端输入

gdb(gdb)file linux-3.18.6/vmlinux(gdb)target remote:1234(gdb)b schedule(gdb)c

进行调试跟踪schedule的执行过程。

进程调度时，首先进入schedule()函数，将一个task_struct结构体的指针tsk赋值为当前进程。
然后调用sched_submit_work(tsk)
我们进入这个函数，查看一下做了什么工作
我们在执行到sched_submit_work时，输入si进入函数。

可以看到这个函数时检测tsk->state是否为0 （runnable）若为运行态时则返回，
tsk_is_pi_blocked(tsk),检测tsk的死锁检测器是否为空，若非空的话就return。

然后检测是否需要刷新plug队列，用来避免死锁。
sched_submit_work主要是来避免死锁。
然后我们进入__schedule()函数。

__schedule()是切换进程的真正代码，我们来分析一下具体的关键代码

• 1.创建一些局部变量

struct task_struct *prev, *next;//当前进程和一下个进程的进程结构体unsigned long *switch_count;//进程切换次数struct rq *rq;//就绪队列int cpu;

• 2.关闭内核抢占，初始化一部分变量

need_resched:preempt_disable();//关闭内核抢占cpu = smp_processor_id();rq = cpu_rq(cpu);//与CPU相关的runqueue保存在rq中rcu_note_context_switch(cpu);prev = rq->curr;//将runqueue当前的值赋给prev

• 3.选择next进程

next = pick_next_task(rq, prev);//挑选一个优先级最高的任务排进队列clear_tsk_need_resched(prev);//清除prev的TIF_NEED_RESCHED标志。clear_preempt_need_resched();

• 4.完成进程的调度

if (likely(prev != next)) {//如果prev和next是不同进程        rq->nr_switches++;//队列切换次数更新        rq->curr = next;        ++*switch_count;//进程切换次数更新        context_switch(rq, prev, next); /* unlocks the rq *///进程上下文的切换        /*         * The context switch have flipped the stack from under us         * and restored the local variables which were saved when         * this task called schedule() in the past. prev == current         * is still correct, but it can be moved to another cpu/rq.         */cpu = smp_processor_id();        rq = cpu_rq(cpu);    } else//如果是同一个进程不需要切换        raw_spin_unlock_irq(&rq->lock);

这段代码中context_switch(rq,prev,next)完成了从prev到next的进程上下文的切换。我们进入这个函数查看

static inline voidcontext_switch(struct rq *rq, struct task_struct *prev,           struct task_struct *next){    struct mm_struct *mm, *oldmm;//初始化进程地址管理结构体mm和oldmm    prepare_task_switch(rq, prev, next);//完成进程切换的准备工作    mm = next->mm;    oldmm = prev->active_mm;    /*完成mm_struct的切换*/if (!mm) {        next->active_mm = oldmm;        atomic_inc(&oldmm->mm_count);        enter_lazy_tlb(oldmm, next);    } else        switch_mm(oldmm, mm, next);    if (!prev->mm) {        prev->active_mm = NULL;        rq->prev_mm = oldmm;    }switch_to(prev, next, prev);//进程切换的核心代码barrier();finish_task_switch(this_rq(), prev);}

我们看到在context_switch中使用switch_to(prev,next,prev)来切换进程。我们查看一下switch_to的代码。
switch_to是一个宏定义，完成进程从prev到next的切换，首先保存flags，然后保存当前进程的ebp，然后把当前进程的esp保存到prev->thread.sp中，然后把标号1:的地址保存到prev->thread.ip中。
然后把next->thread.ip压入堆栈。这里，如果之前B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
__switch_canqry应该是现代操作系统防止栈溢出攻击的金丝雀技术。
jmp __switch_to使用regparm call, 参数不是压入堆栈，而是使用寄存器传值，来调用__switch_to
eax存放prev,edx存放next。这里为什么不用call __switch_to而用jmp，因为call会导致自动把下面这句话的地址(也就是1:)压栈，然后__switch_to()就必然只能ret到这里，而无法根据需要ret到ret_from_fork
当一个进程再次被调度时，会从1:开始执行，把ebp弹出，然后把flags弹出。

#define switch_to(prev, next, last)                 \do {                                    \    /*                              \     * Context-switching clobbers all registers, so we clobber  \     * them explicitly, via unused output variables.        \     * (EAX and EBP is not listed because EBP is saved/restored \     * explicitly for wchan access and EAX is the return value of   \     * __switch_to())                       \     */                             \    unsigned long ebx, ecx, edx, esi, edi;              \                                    \    asm volatile("pushfl\n\t"       /* save    flags */ \             "pushl %%ebp\n\t"      /* save    EBP   */ \             "movl %%esp,%[prev_sp]\n\t"    /* save    ESP   */ \             "movl %[next_sp],%%esp\n\t"    /* restore ESP   */ \             "movl $1f,%[prev_ip]\n\t" /* save    EIP   */ \             "pushl %[next_ip]\n\t" /* restore EIP   */ \             __switch_canary                    \             "jmp __switch_to\n"    /* regparm call  */ \             "1:\t"                     \             "popl %%ebp\n\t"       /* restore EBP   */ \             "popfl\n"          /* restore flags */ \                                    \             /* output parameters */                \             : [prev_sp] "=m" (prev->thread.sp),        \               [prev_ip] "=m" (prev->thread.ip),        \               "=a" (last),                 \                                    \               /* clobbered output registers: */        \               "=b" (ebx), "=c" (ecx), "=d" (edx),      \               "=S" (esi), "=D" (edi)               \                                        \               __switch_canary_oparam               \                                    \               /* input parameters: */              \             : [next_sp]  "m" (next->thread.sp),        \               [next_ip]  "m" (next->thread.ip),        \                                        \               /* regparm parameters for __switch_to(): */  \               [prev]     "a" (prev),               \               [next]     "d" (next)                \                                    \               __switch_canary_iparam               \                                    \             : /* reloaded segment registers */         \            "memory");                  \} while (0)

• 5.开启抢占

sched_preempt_enable_no_resched();if (need_resched())        goto need_resched;

整个schedule的执行过程可以用下面的流程图表示：