Linux内核分析：实验八

安常青  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 

 

1.基本概念

操作系统原理中介绍了大量的进程调度算法，这些算法从实现的角度来看仅仅是从运行队列中选择一个新的进程，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。

 

2.进程的调度时机

(1)中断处理过程（包括时钟中断，IO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进行调度，即在中断处理过程中进行调度。

 

3.进程切换

(1)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；

(2)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；

(3)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）

(4)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"      /* save    flags */   \43           "pushl %%ebp\n\t"        /* save    EBP   */ \44           "movl %%esp,%[prev_sp]\n\t"  /* save    ESP   */ \45           "movl %[next_sp],%%esp\n\t"  /* restore ESP   */ \46           "movl $1f,%[prev_ip]\n\t"    /* save    EIP   */ \47           "pushl %[next_ip]\n\t"   /* restore EIP   */    \48           __switch_canary                   \49           "jmp __switch_to\n"  /* regparm call  */ \50           "1:\t"                        \51           "popl %%ebp\n\t"     /* restore EBP   */    \52           "popfl\n"         /* restore flags */  \53                                  \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                \

4.关键代码switch_to分析

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   */ \       "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),  \       /* =m 表示把变量放入内存，即把 [prev_sp] 存储的变量放入内存，最后再写入prev->thread.sp */\         [prev_ip] "=m" (prev->thread.ip),  \         "=a" (last),                                           \         /*=a 表示把变量 last 放入 ax, eax = last */         \         \         /* clobbered output registers: */  \         "=b" (ebx), "=c" (ecx), "=d" (edx),  \         /* b 表示放入ebx, c 表示放入 ecx，d 表示放入 edx, S表示放入 si, D 表示放入 edi */\         "=S" (esi), "=D" (edi)    \                \         /* input parameters: */    \       : [next_sp]  "m" (next->thread.sp),  \       /* next->thread.sp 放入内存中的 [next_sp] */\         [next_ip]  "m" (next->thread.ip),  \                \         /* regparm parameters for __switch_to (): */ \         [prev]     "a" (prev),    \         /*eax = prev  edx = next*/\         [next]     "d" (next)    \         \       : /* reloaded segment registers */   \       "memory");

类似于之前mykernel实验，这里的进程切换也是类似的。首先进行内核堆栈的切换，然后保存返回地址，然后将eip切换到当前进程的eip。这里所有进程的返回地址实际上是一样的，都是标号1处的地址，不过不同进程的上下文是不一样的。还有一种特殊情况，当新创建一个进程时，返回地址是ret_from_fork。

5.总结：Linux系统的一般执行过程

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

 (1)正在运行的用户态进程X

(2)发生中断——savecs:eip/esp/eflags(current) to kernel stack,then load cs:eip(entry of a specificISR) and ss:esp(point to kernel stack).

(3)SAVE_ALL //保存现场

(4)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

(5)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)

(6)restore_all //恢复现场

(7)iret - pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack

(8)继续运行用户态进程Y