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  • 2018-2019-1 20189229 《Linux内核原理与分析》第九周作业

    教材内容总结

    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,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。

    总结:

    • 用户态进程只能被动调度
    • 内核线程是只有内核态没有用户态的特殊进程
    • 内核线程既可以主动调度也可以被动调度

    进程调度策略与算法

    • 调度策略:考虑到算法的整体目标,是追求资源利用率最高,还是追求响应最及时,或其他特定目标。
    • 调度算法:考虑如何实现调度策略并满足设定的目标

    进程的分类

    • I/O消耗型进程:需要大量文件读写操作,cpu负载不高,大量时间在等待读写数据。
    • 处理器消耗型进程:cpu占用率100%,但没有太多硬件进行读写操作。
    • 交互式进程:大量人机交互,对系统响应时间要求较高。
    • 批处理进程:在后台运行,占用大量系统资源。
    • 实时进程:对调度延迟要求最高。

    调度策略

    • SCHED_FIFO 先进先出的实时进程,如果没有其它更高优先级的可运行实时进程,就可以一直使用cpu运行。
    • SCHED_RR 时间片轮转的实时进程。
    • SCHED_NORMAL 时间片轮转的普通进程。

    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

    linux系统架构与执行过程

    系统架构

    如图:

    ls执行过程

    如图:

    实验八 理解进程调度时机跟踪分析进程调度与进程切换的过程

    配置MenuOS系统

    使用gdb跟踪分析schedule()函数,在schedule、context_switch、switch_to、pick_next_task处设置断点,由于switch_to为宏定义,所以实际为在函数__switch_to处设置断点,如下图:

    执行程序,程序分别停在schedule函数、pick_next_task函数断点、context_switch处,查看代码:

    context_switch中单步执行,调用switch_to

    switch_to函数如下所示:

    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
    	"      /* 保存当前进程flags */   
    43           "pushl %%ebp
    	"        /* 当前进程堆栈基址压栈*/ 
    44           "movl %%esp,%[prev_sp]
    	"  /*保存ESP,将当前堆栈栈顶保存起来*/ 
    45           "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
    46           "movl $1f,%[prev_ip]
    	"    /*保存当前进程EIP*/ 
    47           "pushl %[next_ip]
    	"   /*将next进程起点压入堆栈,即next进程的栈顶为起点*/    
    48         
                //完成EIP的切换
                 __switch_canary    
                //next_ip一般是$1f,对于新创建的子进程时ret_from_fork               
    49           "jmp __switch_to
    "  /*prev进程中,设置next进程堆栈*/ 
                //jmp不同于call是通过寄存器传递参数
    50           "1:	"                //next进程开始执行
    51           "popl %%ebp
    	"       
    52           "popfl
    "         
    53                                  
    54           /*输出变量定义*/                
    55           : [prev_sp] "=m" (prev->thread.sp),     //[prev_sp]定义内核堆栈栈顶
    56             [prev_ip] "=m" (prev->thread.ip),     //[prev_ip]当前进程EIP  
    57             "=a" (last),                 
    58                                  
    59             /* 要破坏的寄存器: */     
    60             "=b" (ebx), "=c" (ecx), "=d" (edx),      
    61             "=S" (esi), "=D" (edi)             
    62                                       
    63             __switch_canary_oparam                
    64                                  
    65             /* 输入变量: */                
    66           : [next_sp]  "m" (next->thread.sp),     //[next_sp]下一个内核堆栈栈顶    
    67             [next_ip]  "m" (next->thread.ip),     
    68           //[next_ip]下一个进程执行起点,,一般是$1f,对于新创建的子进程是ret_from_fork 
       
    69             /* regparm parameters for __switch_to(): */  
    70             [prev]     "a" (prev),              
    71             [next]     "d" (next)               
    72                                  
    73             __switch_canary_iparam                
    74                                  
    75           : /* 重新加载段寄存器 */           
    76          "memory");                  
    77} while (0)
    
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