Linux內核分析（第八週）

進程的切換和系統的通常執行過程

 

1、進程切換的關鍵代碼switch_to分析

　　1.進程調度與其時機分析

　　　　分類：
　　　　　　第一種分類 I/O-bound:頻繁的進行I/O；會花不少時間等待I/O操做完成
　　　　　　　　　　　 CPU-bound:計算密集型；須要大量cpu時間進行計算
　　　　　　第二種分類 批處理進程：沒必要與用戶交互，一般在後臺進行；不行很快響應（編譯程序，科學計算）

　　　　　　　　　　　 實時進程：有實時需求，不被低優先級的進程阻塞；響應時間短，穩定（視頻/音頻，機械）
　　　　　　　　　　　 交互式進程：常常和用戶交互；花不少時間等待用戶輸入，響應時間快（shell;文本編輯器）
　　　　linux中的調度是多種調度策略和算法的混合：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　是基於分時和優先級的；
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　進程的優先級是動態的；
　　　　*內核中的調度算法相關代碼使用了相似OOD中的策略模式
　　

　　　　進程調度的時機：
　　　　　　　　　　　　schedule函數：在運行隊列找到一個進程，把CPU分配給它（直接調用或者分散標記need_reched）
　　　　　　　　　　　　中斷處理過程當中，直接調用schedule()，或者返回用戶態schedule（）根據標記來返回；
　　　　　　　　　　　　內核線程直接調用schedule()進行線程切換（內核線程是隻有內核態沒有用戶態的特殊進程）；

　　　　　　　　　　　　用戶態沒法主動調度，僅能陷入內核態後的某個時機點進行調度（只能被動調度）；

 

　　2.進程上下文切換相關代碼分析

　　　　進程的切換：

　　　　　　　　　　掛起正在CPU上執行的進程，與中斷時保存現場不一樣，中斷先後是同一個進程上下文中，由用戶態向內核態進行，包含了進程執行所須要的全部信息（用戶地址空間;控制信息；硬件上下文）

　　　　schedule()選擇一個新進程來運行，調用context_switch進行上下文切換，這個宏調用switch_to進行關鍵上下文切換
　　　　　　　　　　next=pick_next_task
　　　　　　　　　　context_switch（上下文切換）
　　　　　　　　　　switch_to（pre,next,last）

　　　　*next_ip通常是$1f，對於新建立的子進程是ret_from_fork

 

 

2、linux系統的通常執行過程

　　1.通常執行過程

　　　　　　　　正在運行X→發生中斷→SAVE_ALL(保存現場)→中斷處理過程或中斷返回前調用schedule()，其中的switch_to進行上下文切換→標號1後開始運行進程Y→RESTORE_ALL(恢復現場)→iret_pop→繼續運行用戶態Y

　　2.特殊狀況

　　　　　　　　內核線程發生中斷沒有進程用戶態，內核態轉換；
　　　　　　　　內核線程主動調用schedule（），只有進程上下文切換，沒有中斷文上下文切換；
　　　　　　　　建立子進程的系統調用在子進程的執行起點，以及返回用戶態（next_ip=ret_from_fork）
　　　　　　　　加載一個新的可執行程序後返回到用戶態的狀況（如exceve）

　　3.內核是各類中斷處理過程和內核進程的集合

 

3、linux系統架構和執行過程概覽

　　1.架構概覽

　　2.執行ls命令→肯定命令→fork生成一個shell自己的拷貝→exce將ls的可執行文件裝入內存→從系統調用返回
　　3.從CPU和內存的角度看linux的執行過程

 

4、實驗

 

 1.

打開shell終端，執行如下命令：cd LinuxKernel

　　　　　　　　　　　　　　rm -rf menu

　　　　　　　　　　　　　　git clone https://github.com/mengning/menu.git

　　　　　　　　　　　　　　cd menu

　　　　　　　　　　　　　　mv test_exec.c test.c

　　　　　　　　　　　　　　make rootfs

 

 

 

 2.

能夠經過增長-s -S啓動參數打開調試模式

　　　　　　　　　　　　　　qemu -kernel ../linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd ../rootfs.img -s -S

打開gdb進行遠程調試

　　　　　　　　　　　　　　gdb

　　　　　　　　　　　　　　file ../linux-3.18.6/vmlinux

　　　　　　　　　　　　　　target remote:1234

設置斷點

　　　　　　　　　　　　　   b schedule

　　　　　　　　　　　　　　b context_switch

　　　　　　　　　　　　　　b switch_to

　　　　　　　　　　　　　　b pick_next_task

 

 

 

 

 

schedule()函數用來選擇一個新的進程來運行，並調用context_switch()進行上下文的切換，這個宏調用switch_to(switch_to利用了prev和next兩個參數：prev指向當前進程，next指向被調度的進程)來進行關鍵上下文切換，其中pick_next_task()函數封裝了進程調度算法。