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week 8 进程的切换和系统的一般执行过程
一、进程调度与进程切换
1.不同的进程有不同的调度需求
第一种分类：
- I/O密集型（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密集型（CPU-bound）
- 计算密集型
- 需要大量的CPU时间进行运算
第二种分类：
- 批处理进程
- 不必与用户交互，通常在后台运行
- 不必很快响应
- 典型：编译程序，科学计算
- 实时进程
- 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：视频、音配、机械控制
- 交互式进程
- 需要经常与用户交互，所以要花很多时间等待用户输入操作
- 响应时间要快，平均延迟低于50~150ms
- 典型：shell，文本编辑程序，图形应用程序
2.不同的进程要采取不同的进程调度策略
调度策略：
是一组规则，它们决定什么时候以怎样的方式选择一个新进程运行
Linux的调度基于分时和优先级。
- Linux的进程根据优先级排队
- 根据特定的算法计算出进程的优先级，用一个值表示
- 这个值表示把进程如何适当的分配给CPU
- Linux进程中的优先级是动态的
- 调度程序会根据进程的行为周期性地调整进程的优先级
- 例如：
- 较长时间为被分配到cpu——↑
- 已经在cpu上运行了较长时间——↓
常见的一些函数：
nice
getpriority/setpriority 设置优先级
sched_getschedduler/sched_setscheduler
sched_getparam/sched_setparam
sched_yield
sched_get_priority_min/sched_get_priority_max
sched_rr_get_interval
调度算法与其他部分解耦合。
3.进程的调度时机
（1）schedule函数实现调度
- 目的：在运行队列中找到一个进程，把cpu分配给它
- 方法：
- 直接调用schedule()
- 松散调用，根据need_resched标记
（2）进程调度的时机 【重要】
- 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()；主动调度。
- 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。
- 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，也就是说内核线程既可以主动调度，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
4.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，但是是同一个进程，而进程上下文的切换是两个进程在切换。
- 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切换堆栈和寄存器的状态，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
-
next = pick_next_task(rq, prev); //进程调度算法都封装这个函数内部
switch_to代码及分析如下：
31 #define switch_to(prev, next, last)
32 do {
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" /* 保存当前进程的标志位 */
43 "pushl %%ebp\n\t" /* 保存当前进程的堆栈基址EBP */
44 "movl %%esp,%[prev_sp]\n\t" /* 保存当前栈顶ESP */
45 "movl %[next_sp],%%esp\n\t" /* 把下一个进程的栈顶放到esp寄存器中，完成了内核堆栈的切换，从此往下压栈都是在next进程的内核堆栈中。 */
46 "movl $1f,%[prev_ip]\n\t" /* 保存当前进程的EIP */
47 "pushl %[next_ip]\n\t" /* 把下一个进程的起点EIP压入堆栈 */
48 __switch_canary
49 "jmp __switch_to\n" /* 因为是函数所以是jmp，通过寄存器传递参数，寄存器是prev-a，next-d，当函数执行结束ret时因为没有压栈当前eip，所以需要使用之前压栈的eip，就是pop出next_ip。 */
以上四行代码实际是使用next进程的进程堆栈，但是还算成prev的进程执行，内核堆栈的切换和进程切换完成并不同时间。
50 "1:\t" /* 认为next进程开始执行。 */
51 "popl %%ebp\n\t" /* restore EBP */
52 "popfl\n" /* restore flags */
53
54 /* output parameters 因为处于中断上下文，在内核中
prev_sp是内核堆栈栈顶
prev_ip是当前进程的eip */
55 : [prev_sp] "=m" (prev->thread.sp),
56 [prev_ip] "=m" (prev->thread.ip), //[prev_ip]是标号
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:
next_sp下一个进程的内核堆栈的栈顶
next_ip下一个进程执行的起点，一般是$1f，对于新创建的子进程是ret_from_fork*/
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)
二、Linux系统的一般执行过程
1.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
压入内核堆栈
load cs:eip(entry of a specific ISR) and ss:esp(point to kernel stack).
把当前进程的内核堆栈的信息保存，和当前中断例程的起点加载 SAVE_ALL //保存现场
中断处理过程中或中断返回前调用了schedule()【进程调度时机，可能进行调度】，其中的switch_to做了关键的进程上下文切换【具体见上一节】
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从内核堆栈中弹出y的相关信息
继续运行用户态进程Y
※ 关键点：
- 中断上下文的切换
- 进程上下文的切换
2.几种特殊情况
比如内核线程。
- 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；
- 用户态进程不能主动调度，但是内核线程可以主动调用schedule()，只有进程上下文的切换，没有发生中断上下文的切换，即没有中断，与最一般的情况相比更简单；
- 创建子进程的系统调用，如fork，在子进程中的执行起点是ret_from_fork，而不是标号1，返回用户态；
- 加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况，如execve，内部修改了中断上下文，不是iret返回的那个默认中断保存信息；
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操作系统架构概览
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
典型的Linux操作系统的结构
2.ls命令——最简单与最复杂的操作
3.从CPU和内存的角度来看Linux系统的执行
从在CPU执行指令的角度看：
进程x下面是0-3G的部分，是进程的地址空间
在main函数中有一个gets，从控制台获得字符串
需要gets是一个系统调用，陷入内核态，从用户态的堆栈进入到内核堆栈，esp等压栈；
一个进程调度：
等待键盘输入的时候，cpu会切换到其他进程，同时在进行等待：因为输入键盘会产生I/O中断，再调度回来。
例如：
在键盘上敲击ls，I/O中断，中断处理程序，找到等待键盘输入的进程，调度，把它设为就绪态。
gets的系统调用就获得了从键盘上得到的数据，返回到用户态，变成用户态堆栈，继续执行。从内存的角度来看：
512m内存的虚拟地址空间的映射：
整个物理内存会映射到3G以上的部分。