2019-2020-1 20199324《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

1.进程调度的时机

• 硬中断和软中断

  • 中断：在本质上都是软件或者硬件发生了某种情形而通知处理器的行为，处理器进而停止正在运行的指令流（当前进程），对这些通知做出相应的反应，即转去执行预定义的中断处理程序（内核代码）。
  • ntel定义的中断类型主要有：
    • 硬中断：就是CPU的两根引脚（可屏蔽中断和不可屏蔽中断）。
    • 软中断/异常：包括除零错误、系统调用、调试断点等在CPU执行命令过程中发生的各种特殊情况统称为异常。异常会导致程序无法继续执行，而跳转到CPU预设的处理函数。异常分为以下三种：
      • 故障：出现问题，可以恢复到当前指令。
      • 退出：不可恢复的严重故障，导致程序无法继续运行，只能退出。
      • 陷阱：程序主动产生的异常。

• 进程调度时机

  • schedule()函数：Linux内核通过schedule函数实现进程调度。调用schedule函数一次就是调度一次，调用schedule函数的时候就是进程调度的时机。调度schedule()函数的两种方法：
    • 进程主动调用schedule()：如果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()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。
  • 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（一般是内核线程）上下文；
    • 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。
  • 进程调度时机就是内核调用schedule()函数的时机。 进程调度时机情况总结如下:
    • 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）。

2.调度策略和算法

• 进程的分类：
  • 分类1：
    • I/O消耗型进程
    • 处理器消耗型进程
  • 分类2：
    • 交互式进程
    • 批处理进程
    • 实时进程
  • 根据进程的不同分类，Linux采用不同的调度策略：
    • 对于实时进程，Linux采用FIFO或者RR的调度策略；
    • 对于其他进程，Linux采用CFS调度器，核心思想是“完全公平”。
• 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）
  • 普通进程的调度策略
    • SCHED_NORMAL，使用CFS调度管理程序，普通进程只有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（完全公平调度算法）
  • 基本原理：基于权重的动态优先级调度算法。
  • 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（默认值为0.75ms）
  

  • 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.

  if se->load.weight != NICE_0_LOAD
  vruntime+= delta_exec;
  else
  vruntime+= delta_exec *NICE_0_LOAD/se.load->weight
  

3.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。

4.Linux系统的运行过程

• Linux系统的一般执行过程：正在运行的用户态进程X切换到用户态进程Y的过程：
  • 1.正在运行的用户态进程X；
  • 2.发生中断（包括异常，系统调用等），硬件完成以下动作：
    • save cs:eip/esp/eflags：当前CPU上下文压入用户态进程X的内核堆栈；
    • load cs:eip(entry of a specific ISR) and ss:esp(point to kernel stack)
  • 3.SAVE_ALL，保存现场
  • 4.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；
  • 5.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)；
  • 6.restore_all，恢复现场；
  • 7.iret-pop cs:eip/ss:esp/eflags，从Y进程的内核堆栈中弹出（2）中硬件完成的压栈内容；
  • 8.继续运行用户态进程Y。

5.Linux系统构架与执行过程概览

• 操作系统的基本概念

• Linux操作系统的整体构架示意图
  

• ls命令执行过程示意图
  

6.进程调度相关源代码跟踪和分析

配置运行MenuOS系统

另外打开一个shell命令窗口进行gdb远程调试，设置gdb远程调试和设置断点如下：

使用c继续运行：

使用list查看断点处的代码。可以看到MenuOS运行到schedule函数停下来，schedule函数是进程调度的主体函数，schedule()函数断点截图如下：

pick_next_task函数是schedule函数中的重要函数，负责根据调度策略和调度算法选择下一个进程，pick_next_task函数断点截图如下所示：

context_switch函数是schedule函数中实现进程切换的函数，context_switch函数断点截图如下所示：

switch_to是context_switch函数中进行进程关键上下文切换的函数。switch_to内部是内嵌汇编代码，无法跟踪调试。