进程的切换和系统的一般执行过程
于佳心 原创作品转载请注明出处 《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000
试验：理解进程调度时机跟踪分析进程调度与进程切换的过程
按照老规矩进入qemu
启动gdb之后完成一系列设置，最后设置一个断点schedule，然后开始漫长的跟踪之路
运行到schedule停下了
进程切换的关键代码switch_to分析
进程的调度时机与进程的切换
不同类型的进程有不同的调度需求
第一种分类：
I/0-bound：频繁的进程I/0，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时间进行运算
第二种分类：批处理进程，实时进程，交互性进程（shell）
操作系统原理中介绍了大量进程调度算法，这些算法从实现的角度看仅仅是从运行队列中选择一个新进程，选择的过程中运用了不同的策略而已。
对于理解操作系统的工作机制，反而是进程的调度时机与进程的切换机制更为关键。
Linux既支持普通的分时进程，也支持实时进程
Linux中的调度是多种调度策略和调度算法的混合
调度策略：是一组规则，它们决定什么时候以怎样的方式选择一个新进程运行
Linux的调度基于分时和优先级，随着版本的变化，分时技术不断变化
Linux进程根据优先级排队
根据特定的算法计算出进程的优先级，用一个值表示，这个值表示把进程如何适当的分配给CPU
Linux中进程的优先级是动态的
调度程序会根据进程的行为周期性调整进程的优先级：
较长时间未分配到CPU的进程，通常优先级高
已经在CPU上运行了较长时间的进程，通常优先级低
进程调度的时机
内核中的调度算法相关代码使用了类似OOD中的策略模式，将调度算法与其他算法耦合了
进程调度的时机：schedule函数实现调度
目的：在运行队列中找到一个进程，把CPU分配给它
方法：直接调用，松散调用（根据need_resched标记）
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；（内核线程是只有内核态没有用户态的特殊进程）
用户态进程无法实现主动调度，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。
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
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
next_ip一般是$1f，对于新建的子进程是ret_from_fork
31#define switch_to(prev, next, last)
32do {
33 /*
34 * Context-switching clobbers all registers, so we clobber
35 * them explicitly, via unused output variables.
36 * (EAX and EBP is not listed because EBP is saved/restored
37 * explicitly for wchan access and EAX is the return value of
38 * __switch_to())
39 */
40 unsigned long ebx, ecx, edx, esi, edi;
41
42 asm volatile("pushfl
" /* save flags */
43 "pushl %%ebp
" /* save EBP */
44 "movl %%esp,%[prev_sp]
" /* save ESP */
45 "movl %[next_sp],%%esp
" /* restore ESP */
46 "movl $1f,%[prev_ip]
" /* save EIP */
47 "pushl %[next_ip]
" /* restore EIP */
48 __switch_canary
49 "jmp __switch_to
" /* regparm call */
50 "1: "
51 "popl %%ebp
" /* restore EBP */
52 "popfl
" /* restore flags */
53
54 /* output parameters */
55 : [prev_sp] "=m" (prev->thread.sp),
56 [prev_ip] "=m" (prev->thread.ip),
57 "=a" (last),
58
59 /* clobbered output registers: */
60 "=b" (ebx), "=c" (ecx), "=d" (edx),
61 "=S" (esi), "=D" (edi)
62
63 __switch_canary_oparam
64
65 /* input parameters: */
66 : [next_sp] "m" (next->thread.sp),
67 [next_ip] "m" (next->thread.ip),
68
69 /* regparm parameters for __switch_to(): */
70 [prev] "a" (prev),
71 [next] "d" (next)
72
73 __switch_canary_iparam
74
75 : /* reloaded segment registers */
76 "memory");
77} while (0)
Linux系统的一般执行过程
最一般的情况：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
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正在运行的用户态进程X
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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).
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SAVE_ALL //保存现场
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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
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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)
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restore_all //恢复现场 -
iret - pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack
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继续运行用户态进程Y
几种特殊情况
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；（next_ip=ret_from_fork)
加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况，如execve；
Linux操作系统和系统执行过程概览
操作系统的基本概念
任何计算机系统都包含一个基本的程序集合，称为操作系统
-内核（进程管理，进程调度，进程问题通讯机制，内存管理，中断异常处理，文件系统，I/O系统，网络部分）
-其他程序（例如函数库、shell程序、系统程序等等）
操作系统的目的
与硬件交互，管理所有的硬件资源
为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境
最简单也是最复杂的操作——执行ls命令
站在CPU执行指令的角度
从内存的角度来看
没想到孟宁老师那么污！！！好感度UPUP~
完结撒花~~~~~~~~
