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 | <进程调度与进程切换过程> |
| 作业正文 | <博客> |
实验：进程调度相关源代码跟踪和分析
1.在实验楼环境中执行以下命令，更新内核版本。
cd LinuxKernel
rm -rf menu
git clone https://github.com/mengning/menu.git
cd menu
2.开启调试模式，设置断点，查看进程调度过程。
//开启调试模式
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
执行断点：
schedule()是进程调度的主体函数；pick_next_task()在schedule()中负责根据调度策略和调度算法选择下一个进程；context_switch()在schedule()中实现进程切换；switch_to()在context_switch()中进行进程关键上下文切换。
3.关键代码分析
context_switch关键代码部分：
static inline void context_switch(struct rq *rq, struct task_struct *prev, struct task_struct *next)
{
arch_start_context_switch(prev);
if (unlikely(!mm)) { //如果被切换进来的进程的mm为空切换，内核线程mm为空
next->active_mm = oldmm; //将共享切换出去的进程的active_mm
atomic_inc(&oldmm->mm_count); //有一个进程共享，所有引用计数加一
enter_lazy_tlb(oldmm, next); //将per cpu变量cpu_tlbstate状态设为LAZY
} else //普通mm不为空，则调用switch_mm切换地址空间
switch_mm(oldmm, mm, next);
//这里切换寄存器状态和栈
switch_to(prev, next, prev);
switch_to关键代码部分：
#define switch_to(prev, next, last)
do {
unsigned long ebx, ecx, edx, esi, edi;
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");
} while (0)
总结
1.进程调度
（1）中断：起到切出进程指令流的作用。中断处理程序是与进程无关的内核指令流。
中断类型：
硬中断：可屏蔽中断和不可屏蔽中断。高电平说明有中断请求。
软中断/异常：
故障：出问题，但可以恢复到当前指令，如除零错误。
退出：不可恢复的严重故障，只能退出。如连续发生故障。
陷阱（Trap）：程序主动产生的异常。
（2）schedule函数
Linux内核通过schedule函数实现进程调度，它在运行队列中找到一个进程,把CPU分配给它。所以调用该函数一次就是调度一次，调用该函数的时机就是进程调度的时机。调用schedule函数的两种方法如下：
进程主动调用schedule()，如进程调用阻塞的系统调用等待外设或者主动睡眠。
松散调用，内核代码可以随时根据需要调用schedule使当前内核路径让出CPU。
（3）上下文
一般来说，CPU在任何时刻都处于以下三种情况之一：
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，处理中断上下文。
（4）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。
2.调度策略与算法
（1）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。
（2）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。
3.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
进程切换关键环节分析示意图：
