進程的切換與系統的一般執行過程

進程的調度時機與進程的切換

操作系統原理中介紹了大量進程調度算法，這些算法從實現的角度看僅僅是從運行隊列中選擇一個新進程，選擇的過程中運用了不同的策略而已。

對於理解操作系統的工作機制，反而是進程的調度時機與進程的切換機制更為關鍵。

進程調度的時機

• 中斷處理過程（包括時鍾中斷、I/O中斷、系統調用和異常）中，直接調用schedule()，或者返回用戶態時根據need_resched標記調用schedule()；

• 內核線程可以直接調用schedule()進行進程切換，也可以在中斷處理過程中進行調度，也就是說內核線程作為一類的特殊的進程可以主動調度，也可以被動調度；

• 用戶態進程無法實現主動調度，僅能通過陷入內核態后的某個時機點進行調度，即在中斷處理過程中進行調度。

進程的切換

• 為了控制進程的執行，內核必須有能力掛起正在CPU上執行的進程，並恢復以前掛起的某個進程的執行，這叫做進程切換、任務切換、上下文切換；

• 掛起正在CPU上執行的進程，與中斷時保存現場是不同的，中斷前后是在同一個進程上下文中，只是由用戶態轉向內核態執行；

• 進程上下文包含了進程執行需要的所有信息

• 用戶地址空間：包括程序代碼，數據，用戶堆棧等

• 控制信息：進程描述符，內核堆棧等

• 硬件上下文（注意中斷也要保存硬件上下文只是保存的方法不同）

• schedule()函數選擇一個新的進程來運行，並調用context_switch進行上下文的切換，這個宏調用switch_to來進行關鍵上下文切換

• next = pick_next_task(rq, prev);//進程調度算法都封裝這個函數內部

• context_switch(rq, prev, next);//進程上下文切換

• switch_to利用了prev和next兩個參數：prev指向當前進程，next指向被調度的進程

 

Linux系統的一般執行過程

最一般的情況：正在運行的用戶態進程X切換到運行用戶態進程Y的過程

1. 正在運行的用戶態進程X

2. 發生中斷——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).

3. SAVE_ALL //保存現場

4. 中斷處理過程中或中斷返回前調用了schedule()，其中的switch_to做了關鍵的進程上下文切換

5. 標號1之后開始運行用戶態進程Y(這里Y曾經通過以上步驟被切換出去過因此可以從標號1繼續執行)

6. restore_all //恢復現場

7. iret - pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack

8. 繼續運行用戶態進程Y 

幾種特殊情況

• 通過中斷處理過程中的調度時機，用戶態進程與內核線程之間互相切換和內核線程之間互相切換，與最一般的情況非常類似，只是內核線程運行過程中發生中斷沒有進程用戶態和內核態的轉換；

• 內核線程主動調用schedule()，只有進程上下文的切換，沒有發生中斷上下文的切換，與最一般的情況略簡略；

• 創建子進程的系統調用在子進程中的執行起點及返回用戶態，如fork；

• 加載一個新的可執行程序后返回到用戶態的情況，如execve；

 

Linux操作系統架構和系統執行過程

操作系統的基本概念

操作系統：任何計算機系統包含的一個基本的程序集合

• 內核（進程管理、進程調度、進程間通訊機制、內存管理、中斷異常處理、文件系統、I/O系統、網絡部分）
• 其他程序（函數庫、shell程序、系統程序等等）

操作系統的目的

• 與硬件交互，管理所有的硬件資源
• 為用戶程序（應用程序）提供一個良好的執行環境

典型的linux操作系統的結構

最簡單也是最復雜的操作ls

CPU執行指令

內存在執行指令過程中

 

實驗：使用gdb跟蹤分析schedule函數執行過程

遠程調試並設置斷點

調試運行

 實驗總結：schedule()函數用來選擇一個新的進程來運行，並調用context_switch()進行上下文的切換，這個宏調用switch_to()來進行關鍵上下文切換，其中pick_next_task()函數封裝了進程調度算法