背景
Read the fucking source code!--By 魯迅A picture is worth a thousand words.--By 高爾基
說明：
- Kernel版本：4.14
- ARM64處理器，Contex-A53，雙核
- 使用工具：Source Insight 3.5， Visio
1. 概述
進程切換：內核將CPU上正在運行的進程掛起，選擇下一個進程來運行。
ARM架構中，CPU上一次只能運行一個任務，內核需要為任務分配運行時間來進行調度，以便同時能處理多個任務請求。
如下圖所示：
當進行任務切換的時候，思考下兩個問題：
- 怎樣通過搶占來實現進程的切換？
- 當進程切換的時候，到底切換的什么，是怎么實現的？
這兩個問題，也是本文探討的主題了。
2. 搶占
2.1 用戶搶占
2.1.1 搶占觸發點
- 可以觸發搶占的情況很多，比如進程的時間片耗盡、進程等待在某些資源上被喚醒時、進程優先級改變等。Linux內核是通過設置
TIF_NEED_RESCHED標志來對進程進行標記的，設置該位則表明需要進行調度切換，而實際的切換將在搶占執行點來完成。
不看代碼來講結論，那都是耍流氓。先看一下兩個關鍵結構體：struct task_struct和struct thread_info。我們在前邊的文章中也講過struct task_struct用於描述任務，該結構體的首個字段放置的正是struct thread_info，struct thread_info結構體中flag字段就可用於設置TIF_NEED_RESCHED，此外該結構體中的preempt_count也與搶占相關。
struct task_struct {
#ifdef CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASK
/*
* For reasons of header soup (see current_thread_info()), this
* must be the first element of task_struct.
*/
struct thread_info thread_info;
#endif
...
}
/*
* low level task data that entry.S needs immediate access to.
*/
struct thread_info {
unsigned long flags; /* low level flags */
mm_segment_t addr_limit; /* address limit */
#ifdef CONFIG_ARM64_SW_TTBR0_PAN
u64 ttbr0; /* saved TTBR0_EL1 */
#endif
int preempt_count; /* 0 => preemptable, <0 => bug */
};
#include <asm/current.h>
#define current_thread_info() ((struct thread_info *)current) //通過該宏可以直接獲取thread_info的信息
#endif
看看具體哪些函數過程中，設置了TIF_NEED_RESCHED標志吧：
- 內核提供了
set_tsk_need_resched函數來將thread_info中flag字段設置成TIF_NEED_RESCHED； - 設置了
TIF_NEED_RESCHED標志，表明需要發生搶占調度；
2.1.2 搶占執行點
用戶搶占：搶占執行發生在進程處於用戶態。
搶占的執行，最明顯的標志就是調用了schedule()函數，來完成任務的切換。
具體來說，在用戶態執行搶占在以下幾種情況：
- 異常處理后返回到用戶態；
- 中斷處理后返回到用戶態；
- 系統調用后返回到用戶態；
如下圖：
- ARMv8有4個Exception Level，其中用戶程序運行在EL0，OS運行在EL1，Hypervisor運行在EL2，Secure monitor運行在EL3；
- 用戶程序在執行過程中，遇到異常或中斷后，將會跳到
ENTRY(vectors)向量表處開始執行； - 返回用戶空間時進行標志位判斷，設置了
TIF_NEED_RESCHED則需要進行調度切換，沒有設置該標志，則檢查是否有收到信號，有信號未處理的話，還需要進行信號的處理操作；
2.2 內核搶占
Linux內核有三種內核搶占模型，先上圖：
- CONFIG_PREEMPT_NONE：不支持搶占，中斷退出后，需要等到低優先級任務主動讓出CPU才發生搶占切換；
- CONFIG_PREEMPT_VOLUNTARY：自願搶占，代碼中增加搶占點，在中斷退出后遇到搶占點時進行搶占切換；
- CONFIG_PREEMPT：搶占，當中斷退出后，如果遇到了更高優先級的任務，立即進行任務搶占；
2.2.1 搶占觸發點
- 在內核中搶占觸發點，也是設置
struct thread_info的flag字段，設置TIF_NEED_RESCHED表明需要請求重新調度。 - 搶占觸發點的幾種情況，在用戶搶占中已經分析過，不管是用戶搶占還是內核搶占，觸發點都是一致的；
2.2.2 搶占執行點
內核搶占：搶占執行發生在進程處於內核態。
總體而言，內核搶占執行點可以歸屬於兩大類：
- 中斷執行完畢后進行搶占調度；
- 主動調用
preemp_enable或schedule等接口的地方進行搶占調度；
2.3 preempt_count
- Linux內核中使用
struct thread_info中的preempt_count字段來控制搶占。 preempt_count的低8位用於控制搶占，當大於0時表示不可搶占，等於0表示可搶占。preempt_enable()會將preempt_count值減1，並判斷是否需要進行調度，在條件滿足時進行切換；preempt_disable()會將preempt_count值加1；
此外，preemt_count字段還用於判斷進程處於各類上下文以及開關控制等，如圖：
3. 上下文切換
- 進程上下文：包含CPU的所有寄存器值、進程的運行狀態、堆棧中的內容等，相當於進程某一時刻的快照，包含了所有的軟硬件信息；
- 進程切換時，完成的就是上下文的切換，進程上下文的信息會保存在每個
struct task_struct結構體中，以便在切換時能完成恢復工作；
進程上下文切換的入口就是__schedule()，分析也圍繞這函數展開。
3.1 __schedule()
__schedule()函數調用分析如下：
主要的邏輯：
- 根據CPU獲取運行隊列，進而得到運行隊列當前的
task，也就是切換前的prev; - 根據
prev的狀態進行處理，比如pending信號的處理等，如果該任務是一個worker線程還需要將其睡眠，並喚醒同CPU上的另一個worker線程; - 根據調度類來選擇需要切換過去的下一個
task，也就是next； context_switch完成進程的切換；
3.2 context_switch()
context_switch()的調用分析如下：
核心的邏輯有兩部分：
進程的地址空間切換：切換的時候要判斷切入的進程是否為內核線程，1）所有的用戶進程都共用一個內核地址空間，而擁有不同的用戶地址空間；2）內核線程本身沒有用戶地址空間。在進程在切換的過程中就需要對這些因素來考慮，涉及到頁表的切換，以及cache/tlb的刷新等操作。寄存器的切換：包括CPU的通用寄存器切換、浮點寄存器切換，以及ARM處理器相關的其他一些寄存器的切換；
進程的切換，帶來的開銷不僅是頁表切換和硬件上下文的切換，還包含了Cache/TLB刷新后帶來的miss的開銷。在實際的開發中，也需要去評估新增進程帶來的調度開銷。
