进程调度

进程调度的时机与进程的切换

操作系统原理中介绍了大量进程调度算法，这些算法从实现的角度看仅仅是从运行队列中选择一个新进程，选择的过程中运用了不同的策略而已。
对于理解操作系统的工作机制，反而是进程的调度时机与进程的切换机制更为关键。

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，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。

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

/*  * 上下文切换，在schedule中调用，current进程调度出去，当该进程被再次调度到时，重新从__switch_to后面开始执行  * prev:被替换的进程  * next:被调度的新进程  * last:当切换回原来的进程(prev)后，被替换的另外一个进程。  */#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 */    /*将eflags寄存器值压栈*/\    "pushl %%ebp\n\t"    /* save EBP */    /*将EBP压栈*/\/*将当前栈指针(内核态)保存到prev进程的thread.sp中*/    "movl %%esp,%[prev_sp]\n\t"    /* save ESP */ \    /*将next进程的栈指针(内核态)装载到ESP寄存器中*/    "movl %[next_sp],%%esp\n\t"    /* restore ESP */ \    /*保存"标号1"的地址到prev进程的thread.ip，以便当prev进程重新被调度运行时，可以从"标号1处"重新开始执行*/    "movl $1f,%[prev_ip]\n\t"    /* save EIP */    \    /*         * 将next进程的IP(通常都是"标号1"的地址，因为通常都是经历过这里的调度过程的，上一行代码中即保存了这个IP)   * 压入当前的(即next进程的)堆栈中。结合后面的jmp指令(注意:不是call指令)一起理解，当__switch_to执行完ret返回时，   * 会自动从当前的堆栈中弹出该地址作为函数的返回地址接着执行，如此即可实现新进程的运行。                       */    "pushl %[next_ip]\n\t"    /* restore EIP */    \    __switch_canary    \    /*          *jmp到__switch_to函数执行，当此函数返回时，自动跳转到[next_ip]开始执行，实现新进程的调度。注意不是call，jmp指令         * 不会自动将当前地址压栈，call会自动压栈         */    "jmp __switch_to\n"    /* regparm call */    \    /*当prev进程再次被调度到时，从这里开始执行*/    "1:\t"    \    /*恢复EBP*/    "popl %%ebp\n\t"    /* restore EBP */    \    /*恢复eflags*/    "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)

总结：switch-to函数是通过一个嵌入式汇编实现的。首先内核将当前进程标识寄存器的值和栈基址ebp压栈，然后在将esp的值保存到prev->thread.sp中，将下一进程的esp赋给esp。然后在保存当前进程的eip到prev->thread.ip中用来恢复原来的进程。将下个进程的next->ip值压栈。next->ip的值一般为$1f,对于子进程的值为ret_from_fork.

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

• 注：中断上下文切换是在同一个进程上实现的，是该进程从用户态到内核态的转变，需要执行svaeall和restoreall，而进程上下文切换是在不同进程上实现的，是一个进程的内核栈与另外一个进程的内核栈之间的转变。

几种特殊情况

• 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；
• 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；
• 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；
• 加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况，如execve；

实验截图:

陈思宇 + 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 ”