理解进程调度时机跟踪分析进程调度与进程切换的过程

理解Linux系统中进程调度的时机

Linux的调度程序是一个叫Schedule()的函数,这个函数被调用的频率很高,由它来决定是否要进行进程的切换,如果要切换的话,切换到哪个进程等等。

Linux调度时机主要有:

  1. 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():
  2. 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;
  3. 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。

不同类型的进程有不同的调度需求

第一种分类:

  1. 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
  2. CPU-bound:计算密集型需要大量的CPU时间进行运算

第二种分类:

  1. 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

  2. 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

  3. 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Linux 进程调度+Linux系统一般执行过程 笔记

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)

2.schedule()函数

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
关键函数
__schedule();

next = pick_next_task(rq, prev);包装了使用某种进程调度策略,但不管使用什么调度策略,它总是选择下一个进程

选完下一个进程后,就要完成进程上下文的切换。
进程上下文的切换主要是通过context_switch(rq, prev, next)实现。

## context_switch(rq, prev, next) 是如何实现上下文切换的?

1-prepare_task_switch(rq,prev,next);//提前做准备

2-context_tracking_task_switch(prev,next);//切换寄存器的状态和堆栈

3-switch_to(prev,next,prev);

switch_to(prev, next, prev);的汇编

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

42  asm volatile(“pushfl\n\t”      /* save    flags */

43           “pushl %%ebp\n\t”        /* save    EBP   */ \

44           “movl %%esp,%[prev_sp]\n\t”  /* save    ESP   */ \这两步实际上完成了内核 45           “movl %[next_sp],%%esp\n\t”  /* restore ESP   */ \堆栈的切换

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

47           “pushl %[next_ip]\n\t”   /* restore EIP   */    \将NEXT进程的起点压入堆栈

48           __switch_canary                   \

49           “jmp __switch_to\n”  /* regparm call  */ \

50           “1:\t”                        \

51           “popl %%ebp\n\t”     /* restore EBP   */    \

52           “popfl\n”         /* restore flags */  \

53                                  \

54           /* output parameters */                \

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

56             [prev_ip] “=m” (prev->thread.ip),        \

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: */                \

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”);                  \

Linux系统的一般执行过程

Linux系统的一般执行过程大概可以抽象成:

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) ,

    load cs:eip(entry of a specific ISR)

    ss:esp(point to kernel stack). 这一过程由CPU自动完成

  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(),其中的switch_to做了关键的进程上下文切换

  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

  8. 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;

Linux系统架构和执行过程概览

  • 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(例如函数库、shell程序、系统程序等等)

从用户的角度来看:
从CPU的角度来看: #4.gdb跟踪分析一个schedule()函数
qemu -kernel ../linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd ../rootfs.img -s -S

打开GDB

gdb

file …/linux-3.18.6/vmlinux

target remote:1234

设置断点:

b schedule

b context_switch

b switch_to

b pick_next_task


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似乎明白了一点点。

sunfy + 原创作品转载请注明出处 + 《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

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