进程调度与进程切换的过程
作业信息
| 这个作业属于哪个课程 | <2020-2021-1Linux内核原理与分析）> |
|---|---|
| 这个作业要求在哪里 | <2020-2021-1Linux内核原理与分析第九周作业> |
| 这个作业的目标 | <跟踪分析进程调度的时机和进程切换的过程> |
| 作业正文 | https://www.cnblogs.com/TracerElena/p/14079375.html |
配置运行MenuOS系统
在shell1中执行如下命令，重新编译内核并启动Menu：
cd ~/LinuxKernel
rm menu -rf
git clone https://github.com/mengning/menu.git
cd menu
make rootfs
配置gdb远程调试和设置断点
打开调试模式：
cd ..
qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -S -s
在shell2中进行gdb远程调试：
gdb
file linux-3.18.6/vmlinux
target remote:1234
设置断点：
b schedule
b context_switch
b switch_to
b pick_next_task
使用gdb跟踪分析schedule()函数
schedule是进程调度的主体函数。在gdb模式下输入c，可以看到MenuOS运行至schedule函数处停下来
pich_next_task函数负责根据调度策略和调度算法选择下一个进程。pich_next_task函数断点如下：
context_switch函数实现进程切换。context_switch函数断点如下：
switch_to进行进程关键上下文切换。switch_to断点如下：
switch_to内嵌汇编代码：
asm volatile(
"pushfl
" //保存当前进程flags
"pushl %%ebp
" //当前进程堆栈基址压栈
"movl %%esp,%[prev_sp]
" //保存ESP，将当前堆栈栈顶保存起来
"movl %[next_sp],%%esp
" //更新ESP，将下一栈顶保存到ESP中
// 完成内核堆栈的切换
"movl $1f,%[prev_ip]
" //保存当前进程的EIP
"pushl %[next_ip]
" //将next进程起点压入堆栈，即next进程的栈顶为起点
__switch_canary //next_ip一般为$1f，对于新创建的子进程是ret_from_fork
"jmp __switch_to
" //prve进程中，设置next进程堆栈，jmp与call不同，是通过寄存器传递参数（call通过堆栈），所以ret时弹出的是之前压入栈顶的next进程起点
//完成EIP的切换
"1: " //next进程开始执行
"popl %%ebp
" //restore EBP
"popfl
" //restore flags
//输出量
: [prev_sp] "=m" (prev->thread.sp), //保存当前进程的esp
[prev_ip] "=m" (prev->thread.ip), //保存当前进仓的eip
"=a" (last),
//要破坏的寄存器
"=b" (ebx), "=c" (ecx), "=d" (edx),
"=S" (esi), "=D" (edi)
__switch_canary_oparam
//输入量
: [next_sp] "m" (next->thread.sp), //next进程的内核堆栈栈顶地址，即esp
[next_ip] "m" (next->thread.ip), //next进程的eip
// regparm parameters for __switch_to():
[prev] "a" (prev),
[next] "d" (next)
__switch_canary_iparam
: //重新加载段寄存器
"memory");
总结
硬中断：cpu检测引脚电平判断中断请求
软中断/异常：
- 故障：有问题但可以恢复到当前指令
- 退出：不可恢复的严重故障
- 陷阱：程序主动产生的异常
调用schedule()的两种方法：
- 进程主动调用schedule，如进程调用阻塞的系统调用等待外设或主动睡眠等，最终都会在内核中调用到schedule函数
- 松散调用，内核代码中可以随时调用schedule()使当前内核路径（中断处理程序或内核线程）让出CPU；也会根据need_resched标记做进程调度，内核会在适当的时机检测need_resched标记，决定是否调用schedule()函数
上下文：
- CPU运行于用户空间，执行用户进程上下文
- CPU运行于内核空间，处于进程（一般是内核线程）上下文
- CPU运行于内核空间，处于中断（中断处理程序ISR，包括系统调用处理过程）上下文
进程调度的时机：
- 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
进程的分类：
- 交互式进程：大量人机交互，进程不断睡眠，对系统响应时间要求高
- 批处理进程：无需人机交互，后台运行，占用大量系统资源
- 实时进程：要求立即响应并执行
调度策略：
- SCHED_FIFO：先进先出，对所有相同优先级的进程，最先进入就绪队列的进程能优先获得调度
- SCHED_RR：比FIFO多个时间片，使得相同优先级的实时进程能够轮流获得调度，每次运行一个时间片
- SCHED_NORMAL：根据nice值计算占用cpu时间