进程调度时机跟踪分析进程调度与进程切换的过程

最新推荐文章于 2021-05-16 08:57:23 发布

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分类专栏： linux kernel

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本文深入探讨了Linux操作系统中的进程调度时机与进程切换机制，包括如何通过不同的调度算法选择新进程，以及进程切换的具体步骤。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

张磊 + 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

进程的调度时机与进程的切换

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。

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。

下面是整个实验过程：（网易实验楼环境）

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\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)

进程切换的第二节由switch_to宏执行。它是内核中与硬件关系最密切的例程之一，要理解它到低做了些什么我们必须下些功夫。

首先，该宏有三个参数，它们是prev,next和last。你可能很容易猜到prev和next的作用：它们仅是局部变量prev和next的占位符，即它们是输入参数，分别表示被替换进程和新进程描述符的地址在内存中的位置。

那第三个参数last呢？在任何进程切换中，涉及到三个进程而不是两个。假设内核决定暂停进程A而激活里程B。在schedule()函数中，prev指向A的描述符而next指向B的描述符。switch_to宏一但使A暂停，A的执行流就冻结。

随后，当内核想再次此激活A，就必須暂停另一个进程C，于是就要用prev指向C而next指向A来执行另一个swithch_to宏。当A恢复它的执行流时，就会找到它原来的内核栈，于是prev局部变量还是指向A的描述符而next指向B的描述符。此时，代表进程A执行的内核就失去了对C的任何引用。但是，事实表明这个引用对于完成进程切换是很有用的。

switch_to宏的最后一个参数是输出参数，它表示宏把进程C的描述符地址写在内存的什么位置了。在进程切换之前，宏把第一个输入参数prev表示的变量的内容存入CPU的eax寄存器。在完成进程切换，A已经恢复执行时，宏把CPU的eax寄存器的内容写入由第三个输出参数-------last所指示的A在内存中的位置。因为CPU寄存器不会在切换点发生变化，所以C的描述符地址也存在内存的这个位置。在schedule()执行过程中，参数last指向A的局部变量prev，所以prev被C的地址覆盖。

在eax和edx寄存器中分别保存prev和next的值。

Movlprev ,%eax

movlnext ,%edx

把eflags和ebp寄存器的内容保存在prev内核栈中。必須保存它们的原因是编译器认为在switch_to结束之前它们的值应当保持不变。

Pushf1

push%ebp

把esp的内容保存到prev->thread.esp中以使该字段指向prev内核栈的栈顶：

movl%esp,484(%eax)

把next->thread.esp装入esp.此时，内核开始在next的内核栈上操作，因此这条指令实际上完成了从prev到next的切换。由于进程描述符的地址和内核栈的地址紧挨着，所以改变内核栈意味着改变进程。

movl484(5edx),%esp

把标记为1的地址存入prev->thread.eip。当被替换的进程重新恢复执行时，进程执行被标记为1的那条指令：

movl$lf,480(%eax)

宏把next->thread.eip的值压入next的内核栈。

Push1480(%edx)

跳到__switch_to()C函数

jmp__switch_to

这里被进程B替换的进程A再次获得CPU；它执行一些保存eflags和ebp寄存器内容的指令，这两条指令的第一条指令被标记为1。
拷贝eax寄存器的内容到switch_to宏的第三个参数lash标识的内存区域中：

movl%eax,last

正如以前讨论的，eax寄存器指向刚被替换的进程描述符。

__switch_to()函数执行大多数开始于switch_to()宏的进程切换。这个函数作用于prev_p和next_p参数，这两个参数表示前一个进程和新进程。这个函数的调用不同于一般函数的调用，因为__switch_to()从exa和edx取参数prev_p和next_p，而不像大多数函数一样从栈中取参数。为了强迫函数从寄存器取它的参数，内核利用__attribute__和regparm关键字，这两个关键字是C语言非标准的扩展名，由gcc编译程序实现。在include/asm-i386/system.h头文件中，__switch_to()函数的声明如下：

__switch_to(structtask_struct *prev_p,struct tast_struct *next_p)__attribute_(regparm(2));

小结：

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