Linux内核分析— —进程的切换和系统的一般执行过程

进程调度的时机

linux进程调度是基于分时和优先级的
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；
- 内核线程是只有内核态没有用户态的特殊进程
- 内核可以看作各种终端处理过程和内核线程的集合
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，直接选出一个进程来执行
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

#define switch_to(prev, next, last)                    \

do {                                 \

  /*                              \

   * Context-switching clobbers all registers, so we clobber  \

   * them explicitly, via unused output variables.     \

   * (EAX and EBP is not listed because EBP is saved/restored  \

   * explicitly for wchan access and EAX is the return value of   \

  * __switch_to())                     \

   */                                \

 unsigned long ebx, ecx, edx, esi, edi;                \

                                  \

  asm volatile("pushfl\n\t"      /* save    flags */   \

           "pushl %%ebp\n\t"        /* save    EBP   */ \

           "movl %%esp,%[prev_sp]\n\t"  /* save    ESP   */ \

           "movl %[next_sp],%%esp\n\t"  /* restore ESP   */ \

          "movl $1f,%[prev_ip]\n\t"    /* save    EIP   */ \

           "pushl %[next_ip]\n\t"   /* restore EIP   */    \

          __switch_canary                   \

          "jmp __switch_to\n"  /* regparm call  */ \

           "1:\t"                        \

           "popl %%ebp\n\t"     /* restore EBP   */    \

          "popfl\n"         /* restore flags */  \

                                    \

           /* output parameters */                \

          : [prev_sp] "=m" (prev->thread.sp),     \

           [prev_ip] "=m" (prev->thread.ip),        \

             "=a" (last),                 \

                              \

             /* clobbered output registers: */     \

             "=b" (ebx), "=c" (ecx), "=d" (edx),      \

            "=S" (esi), "=D" (edi)             \

                                  \

             __switch_canary_oparam                \

                              \

             /* input parameters: */                \

           : [next_sp]  "m" (next->thread.sp),        \

        [next_ip]  "m" (next->thread.ip),       \

                                       \

            /* regparm parameters for __switch_to(): */  \

             [prev]     "a" (prev),              \

             [next]     "d" (next)               \

                              \

            __switch_canary_iparam                \

                              \

          : /* reloaded segment registers */           \

          "memory");                  \

} while (0)

（switch_to解释图未补上）

Linux系统的一般执行过程

最一般的情况：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
- 正在运行的用户态进程X
- 发生中断——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).
- SAVE_ALL //保存现场
- 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
- 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)
- restore_all //恢复现场
- iret - pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack
- 继续运行用户态进程Y
几种特殊情况
- 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；
- 实验——跟踪调试schedule函数
  - 进入虚拟机环境，启动内核，并进入调试状态
  - 在schedule处设置断点，c继续执行。
  - 单步执行直到遇到__schedule函数，进入其中查看
  - 继续执行，发现context_switch函数
  - 设置断点后，进入其内部查看，发现内核切换的重点代码

巴特西

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