2019-2020-1 20199321《Linux内核原理与分析》第九周作业

第八章 进程的切换和系统的一般执行过程

进程调度的时机

• ntel定义的中断类型
  • 硬中断：CPU的两根引脚（可屏蔽中断和不可屏蔽中断）。若是高电平，则有中断请求。
  • 软中断：包括零错误、系统调用、调试断点等，在CPU执行指令过程中发生的各种特殊情况，也称为异常。异常可以分为3种：故障、退出、陷阱。
• 进程调度时机
  • linux内核通过schedule函数实现进程调度，schedule函数在运行队列中找到一个进程。把CPU分配给他。每调用一次schedule函数就实现一次进程调度，调用schedule函数就是进程调度的时机。调用schedule函数：
    • 进程主动调用:进程调用阻塞的系统调用等待外设或主动睡眠，最终会在内核中调用到schedule函数。
    • 松散调用:内核代码中可以随时调用schedule函数使当前内核路径让出CPU；也会根据need_resched标记做进程调度，内核检测到need_resched决定是否调用schedule函数。
  • 进程调度时机情况
    • 用户进程通过特定的系统调用主动让出CPU；
    • 中断处理程序在内核返回用户态时进行调度；
    • 内核线程主动调用schedule函数让出CPU；
    • 中断处理程序主动调用schedule函数让出CPU（包括以上两点）。
  • CPU在任何时刻都处于以下3种情况之一：
    • 运行于用户空间，执行用户进程上下文。
    • 运行于内核空间，处于进程上下文。
    • 运行于内核空间，处于中断上下文。

调度策略与算法

• 基本调度策略
  • 实时进程的调度策略(优先级0~99，静态设定)
    • SCHED_FIFO 先进先出
    • SCHED_RR 轮转策略（时间片）
  • 普通进程的调度类 —— SCHED_NORMAL,只有nice值，映射到优先级为100~139。按优先级占比计算占用CPU的时间。
• CFS调度算法
  • 调度周期:进程越多，周期越长；上限默认8ms；一个时间周期内队列的所有进程都会至少被调度一次。

__sched_period = nr_running(进程数)*sysctl_sched_min_granularity（默认值）

+ 理论运行时间：每次可获取CPU后最长可占用时间为ideal_runtime.

  ideal_runtime = __sched_period * 进程权重/队列运行总权重

+ 虚拟运行时间:每个进程拥有一个vruntime，每次需要调度时就运行队列中拥有最小的vruntime的进程来运行，最长运行时间为ideal_runtime.

vruntime = 实际运行时间 * NICE_0_LOAD / 进程权重
         = 实际运行时间 * 1024 / 进程权重
NICE_0_LOAD = 1024, 表示nice值为0的进程权重

+ 时钟中断周期：1/CONFIG_HZ秒
+ Linux传统优先级与权重的转化关系是经验值。
+ Linux采用红黑树来存储就绪进程指针，插入时根据vruntime排序，调度时选择最左边的即可。

进程上下文切换

• 为了控制进程的执行，内核必须有能力挂起正在CPU中运行的进程，并恢复执行以前挂起的进程，这个行为称为进程切换。
• 进程上下文包含了进程执行的所有信息：
  • 用户地址空间：进程代码、数据和用户堆栈等
  • 控制信息：进程描述符、内核堆栈
  • 硬件上下文：存储相关寄存器的值
• 实际代码中进程切换由两个步骤组成:
  • 切换页全局目录（RC3）以安装一个新的地址空间，这样不同的虚拟地址经过不同的页表转为不同的物理地址。
  • 切换内核态堆栈和硬件上下文

Linux系统的构架

实验

cd LinuxKernel
rm menu -rf
git clone https://github.com/mengning/menu.git
cd menu
ls
make rootfs

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

gdb
file linux-3.18.6/vmlinux
target remote:1234
b schedule
b context_switch
b __switch_to
b pick_next_task

配置运行MenuOS系统

配置gdb远程调试和设置断点

使用gdb跟踪分析schedule()函数

执行程序，程序分别停在schedule函数、pick_next_task函数断点、context_switch处，查看代码：