原 浅谈Linux进程调度过程

在操作系统运行过程中,由于CPU bound和I/O bound,进行进程的调度自然是常事。进行进程调度时,操作系统使用某些特定算法(如FIFO、SCBF、轮转法等)在进程队列中选出一个进程作为下一个运行的进程,调用schedule。进行进程调用的时机有以下几种:

  • 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;
  • 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。

相对于可以高风亮节主动让出系统资源的内核态进程,用户态进程只能接受被动调度。而被动调度分为抢占式调度和强制调度。

schedule函数进行调度时,首先选择一个新的进程来运行,然后调用context_switch进行上下文的切换,这个宏又调用switch_to进行关键上下文的切换。

  • 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
asmlinkage __visible void __sched schedule(void)
{
    struct task_struct *tsk = current;
 
    sched_submit_work(tsk);
    __schedule();
}

下面来看一个最一般的情况: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,then load cs:eip(entry of a specific ISR) and ss:esp(point to kernel stack).
  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

下面是switch_to的代码:

#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)

注意switch_to是一个宏而不是一个函数,因此它的参数prev, next, last不是值拷贝,而是它的调用者context_switch()中的局部变量。而调用switch_to时,也并不是通过普通的call来实现,而是直接jmp到switch_to。

当然,进程调度后,当前的prev就变为了等待态,直到资源到位而转为就绪态,esp指针再次指回这个进程的堆栈时,这个进程又重新开始运行。

陈政/arc001    原创作品转载请注明出处  《Linux内核分析》MOOC课程

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