第八周 进程的切换和系统的一般执行过程【转】

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第八周 进程的切换和系统的一般执行过程【转】

sky-heaven 2016-07-28 16:12:00 浏览629
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转自:http://www.cnblogs.com/20135305yg/p/5379542.html

一.进程切换的关键代码switch_to分析

进程的调度时机与进程的切换:

操作系统中的进程调度算法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

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

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

二.Linux系统的一般执行过程

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——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).

  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

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;

三.实验:使用gdb跟踪分析一个schedule()函数 ,验证对Linux系统进程调度与进程切换过程的理解

终端输入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 
这里写图片描述
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

这里写图片描述
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
这里写图片描述
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
这里写图片描述
__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 void
context_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。

5.开启抢占

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

到此,进程的切换过程就完成了

【作者】张昺华
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