进程的切换和系统的一般执行过程

1 进程切换的关键代码switch_to分析

1.1 进程调度与进程调度的时机分析

1.1.1 进程的分类

第一种分类：

I/O-bound：频繁的进行I/O，通常会花费很多时间等待I/O操作的完成。

CPU-bound：计算密集型，需要大量的CPU时间进行计算。

第二种分类：

批处理进程（batch process）：不必和用户交互，通常在后台进行；不必很快的响应；典型例子：编译程序、科学计算

实时进程（real-time process）：有实时要求、不应被优先级低的进程阻塞；响应时间短、要稳定；典型例子：视频/音频、机械控制

交互式进程（interactive process）：需要和用户交互，因此要花很多时间等待用户操作；响应时间快；典型例子：shell、文本编辑器、图形应用程序。

1.1.2 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（只有内核态没有用户态的特殊进程）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（只能被动调度），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。

1.2 进程上下文切换相关代码分析

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；进程上下文切换时两个进程在切换。

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

#define switch_to(prev, next, last)                    
do {                                    
    /*                                
     * Context-switching clobbers all registers, so we clobber    
     * them explicitly, via unused output variables.        
     * (EAX and EBP is not listed because EBP is saved/restored    
     * explicitly for wchan access and EAX is the return value of    
     * __switch_to())                        
     */                                
    unsigned long ebx, ecx, edx, esi, edi;                
                                    
    asm volatile("pushfl
	"        /* save    flags */    
             "pushl %%ebp
	"        /* save    EBP   */    
             "movl %%esp,%[prev_sp]
	"    /* save    ESP   */ 
             "movl %[next_sp],%%esp
	"    /* restore ESP   */ 
             "movl $1f,%[prev_ip]
	"    /* save    EIP   */    
             "pushl %[next_ip]
	"    /* restore EIP   */    
             __switch_canary                    
             "jmp __switch_to
"    /* regparm call  */    
             "1:	"                        
             "popl %%ebp
	"        /* restore EBP   */    
             "popfl
"            /* restore flags */    
                                    
             /* output parameters */                
             //thread.sp内核堆栈的栈底
             : [prev_sp] "=m" (prev->thread.sp),        
             //thread.ip进程的eip
               [prev_ip] "=m" (prev->thread.ip),        
               "=a" (last),                    
                                    
               /* clobbered output registers: */        
               "=b" (ebx), "=c" (ecx), "=d" (edx),        
               "=S" (esi), "=D" (edi)                
                                           
               __switch_canary_oparam                
                                    
               /* input parameters: */                
               //next->thread.sp下一个进程的内核堆栈的栈底
             : [next_sp]  "m" (next->thread.sp),        
               //next->thread.ip下一个进程执行的起点
               [next_ip]  "m" (next->thread.ip),        
                                           
               /* regparm parameters for __switch_to(): */    
               [prev]     "a" (prev),                
               [next]     "d" (next)                
                                    
               __switch_canary_iparam                
                                    
             : /* reloaded segment registers */            
            "memory");                    
} while (0)

2 linux系统的一般执行过程

2.1一般的情况

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

• 正在运行的用户态进程X
• 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).    //保存和加载有CPU自动完成
• SAVE_ALL             //进入内核代码，首先保存现场
• 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
• 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)
• restore_all               //恢复现场
• iret - pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack
• 继续运行用户态进程Y

2.2 几个特殊过程

• 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；

内核是各种中断处理过程和内核线程的集合，内核态的部分共享，是一样的。

3 linux系统架构和执行过程概览

3.1 linux系统架构概览

典型的linux架构

3.2 分析ls命令

4 从CPU和内存看Linux系统的执行

4.1 CPU角度

main函数中有个gets()以获取字符串，执行gets这个系统调用会陷入到内核态，在等待键盘输入的过程，CPU会调度到其他进程，同时，在执行其他进程的过程中，会等待输入。当在键盘上敲击字符时，会产生IO中断给CPU，CPU进行中断处理，在中断处理过程中，接受了一个键盘输入，进而判断是X进程在等待键盘输入。开始时，x进程执行到gets陷入到内核态时，若没有键盘输入会进入阻塞态，有了键盘输入后，会把X进程设为就绪态，进程管理切换到进程X，gets系统调用获得了读入的数据，返回到用户态，继续执行下一条指令。

4.2 从内存角度