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20135202闫佳歆--week 8 进程的切换和系统的一般执行过程--学习笔记

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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
    20135202闫佳歆--week 8 进程的切换和系统的一般执行过程--学习笔记

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

  1. 正在运行的用户态进程X
  2. 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
  3. SAVE_ALL //保存现场
  4. 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】
  5. 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】
  6. restore_all //恢复现场
  7. iret - pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack从内核堆栈中弹出y的相关信息
  8. 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
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2.ls命令——最简单与最复杂的操作

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3.从CPU和内存的角度来看Linux系统的执行

  1. 从在CPU执行指令的角度看:
    20135202闫佳歆--week 8 进程的切换和系统的一般执行过程--学习笔记

    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。

  2. 从内存的角度来看:
    512m内存的虚拟地址空间的映射:
    20135202闫佳歆--week 8 进程的切换和系统的一般执行过程--学习笔记

    整个物理内存会映射到3G以上的部分。


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