Linux 第八周实验 进程的切换和系统的一般执行过程
2024-10-10 13:39:26
姬梦馨
原创作品
《Linux内核分析》MOOC课程：http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000
第八讲 进程的切换和系统的一般执行过程
学习笔记
一：进程的调度时机与进程的切换
1：进程调度时机
两种分类
a：I/O-bound 频繁的进行I/O
通常会花费很多时间等待I/O操作的完成
CPU-bound 计算密集型
需要大量的CPU时间进行运算 b：批处理进程（batch process） 不必与用户交互，通常在后台运行，不必很快响应。
典型的批处理程序：编译程序、科学计算 实时进程（real-time process）：有实时需求，不应被低优先级的进程阻塞，响应时间要短、要稳定
典型的实时进程：视频/音频、机械控制等 交互式进程（interactive process）：需要经常与用户交互，因此要花很多时间等待用户输入操作
响应时间要快，平均延迟要低于50~150ms
典型的交互式程序：shell、文本编辑程序、图形应用程序等
2：进程调度的时机
- schedule()函数负责调度。
- 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()；比如sleep，就可能直接调用了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。用户态进程只能被动调度。
用户态被动调度
内核线程只有内核态没有用户态的特殊进程，无需系统调用。
3：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；即进程上下文切换！
- 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的信息
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
4：进程的调度
- Linux中进程优先级是动态的，周期性调整。
- Linux的进程根据优先级排队
- 内核中的调度算法相关代码使用了类似OOD中的策略模式，将调度算法与其他部分解耦合。
二：Linux系统的一般执行过程
正在运行的用户态进程X切换到运行用户态进程Y的过程
1： 发生中断 ，完成以下步骤:
save cs:eip/esp/eflags(current) to kernel stack
load cs:eip(entry of a specific ISR) and ss:esp(point to kernel stack)
2: SAVE_ALL //保存现场，这里是已经进入内核中断处里过程
3:中断处理过程中或中断返回前调用了schedule()，其中的switch_to做了关键的进程上下文切换
没有发生中断上下文的切换，与最一般的情况略简略.
4：标号1之后开始运行用户态进程Y(这里Y曾经通过以上步骤被切换出去过因此可以从标号1继续执行)
5： restore_all //恢复现场
6： 继续运行用户态进程Y
进程间的特殊情况
通过中断处理过程中的调度时机，用户态进程与内核线程之间互相切换和内核线程之间互相切换
与最一般的情况非常类似，只是内核线程运行过程中发生中断没有进程用户态和内核态的转换；
内核线程主动调用schedule()，只有进程上下文的切换，没有发生中断上下文的切换，与最一般
的情况略简略；
创建子进程的系统调用在子进程中的执行起点及返回用户态，如fork；
加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况，如execve；
0-3G内核态和用户态都可以访问，3G以上只能内核态访问。
内核是所有进程共享的。
内核是各种中断处理过程和内核线程的集合。
三、Linux系统架构和执行过程概览
1.Linux操作系统架构
操作系统分为：
内核，进程管理，进程调度，进程间通讯机制，内存管理，中断异常处理，文件系统，I/O系统，网络部分
其他程序
函数库，shell程序，系统程序……
最关键：CPU和内存
操作系统的目的：
- 与硬件交互，管理所有的硬件资源
- 为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境
四：实验过程
1：在shell命令行中依次运行以下命令
2：打开gdb，并且分别设置断点
3:停在了断点1：schedule
4：停在了断点2：context_switch
5:按n单步执行，出现相同的地方。
6：qemu
总结：
进程的调度时机等还是有一般情况和具体情况的，我们要根据情况的不同具体的分析问题。
比如：进程优先级
调度算法中最基本的一类就是基于优先级的调度——根据进程的价值和其对处理器时间的需求来对进程分级。
调度程序总是选择时间片未用尽而且优先级最高的进程运行。
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