浅谈进程调度的时机和进程切换

最新推荐文章于 2023-06-29 19:52:20 发布

萝卜cherish

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分类专栏： linux 内核分析

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罗晓波 + 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

本周学习了对于进程调度的时机和进程切换，照旧，从一个小实验开始本周的分析和总结，实验环境使用实验楼。

一、实验：跟踪进程调度函数

首先，启动menuOS之后，在schedule()函数处打个断点，来跟踪一下：

进程的调度以及上下文的切换都是发生在__schedule()函数里的。

pick_next_task函数是将进程调度算法都封装在这里面，也就是选择一个进程作为下一个即将要执行的进程。

这个context_switch函数：

2352	if (!mm) {
2353		next->active_mm = oldmm;
2354		atomic_inc(&oldmm->mm_count);
2355		enter_lazy_tlb(oldmm, next);
2356	} else
2357		switch_mm(oldmm, mm, next);
2358
2359	if (!prev->mm) {
2360		prev->active_mm = NULL;
2361		rq->prev_mm = oldmm;
2362	}

这里的mm是指next进程的地址空间，《深入理解Linux内核》一书中提到，当mm为null的时候，也就是当这个next进程实质上是一个内核进程的时候，则将被执行的内核进程用prev进程的地址空间，因为，内核进程没有自己的地址空间。同样，下面一句，当prev->mm为空的时候，context_switch需要将指向prev内存描述符的指针保存到运行队列的prev_mm，然后设置prev->active_mm，也就是置空。

context_switch里面最终还是要调用switch_to执行prev和next之间的进程切换。

#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\n\t"		/* save    flags */	\
43		     "pushl %%ebp\n\t"		/* save    EBP   */	\
44		     "movl %%esp,%[prev_sp]\n\t"	/* save    ESP   */ \
45		     "movl %[next_sp],%%esp\n\t"	/* restore ESP   */ \
46		     "movl $1f,%[prev_ip]\n\t"	/* save    EIP   */	\
47		     "pushl %[next_ip]\n\t"	/* restore EIP   */	\
48		     __switch_canary					\
49		     "jmp __switch_to\n"	/* regparm call  */	\
50		     "1:\t"						\
51		     "popl %%ebp\n\t"		/* restore EBP   */	\
52		     "popfl\n"			/* 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)

这个宏首先在保存了ebx,ecx,edx,esi,edi,flags在当前内核堆栈上，然后进行关键的堆栈切换：

首先保存旧的ebp、和flags寄存器到旧进程的内核栈中，将旧进程esp保存到thread_info结构中，用新进程esp填写esp寄存器，此时内核栈已切换，将该（之前的Prev进程）进程恢复执行时的下条地址保存到旧进程的thread中，将新进程的ip值压入到新进程的内核栈中，popl %%ebp\n\t之后，该进程执行，恢复ebp寄存器，恢复flags寄存器。另外，在这里，将next->thread.ip压栈，并跳转到__switch_to执行。__switch_to返回时，会从堆栈弹出一项作为返回地址，由于调用__switch_to时不是通过call指令，而是手工压栈加跳转，所以不会返回到“这里”的标号1处，而是返回到next->thread.ip处。

对于switch_to的内核堆栈图大致如下：

在esp还没改变的时候：

切换ESP之后，在新的next内核堆栈上push next_ip：

经过jmp __switch_to之后，也就是开始执行新的进程next进程了。

二、分析与总结：

我们知道，进程调度的时机有以下三种：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。

进程的调度中就涉及到了进程与进程之间的切换，之前在Mykernel中也简要分析过这个过程，在真正的linux内核代码中，我们发现，道理都是一样的。也就是上一部分所描述的那样。