进程的调度时机与进程的切换

操作系统原理中介绍了大量进程调度算法，这些算法从实现的角度看仅仅是从运行队列中选择一个新进程，选择的过程中运用了不同的策略而已。
对于理解操作系统的工作机制，反而是进程的调度时机与进程的切换机制更为关键。

调度时机 背景

• 不同类型的进程有不同的调度需求
• 第一种分类：
  
  • 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-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（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
  • 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
  • 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中的进程调度

• Linux既支持普通的分时进程，也支持实时进程
• Linux中的调度是多种调度策略和调度算法的混合。
• 什么是调度策略？
  
  • 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

  • 随着版本的变化，分时技术在不断变化

• 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中进程的优先级是动态的
  
  • 调度程序会根据进程的行为周期性的调整进程的优先级
    
    • 较长时间未分配到CPU的进程，通常↑
    • 已经在CPU上运行了较长时间的进程，通常↓

相关的系统调用

nice
getpriority/setpriority
sched_getscheduler/sched_setscheduler
sched_getparam/sched_setparam
sched_yield
sched_get_priority_min/sched_get_priority_max
sched_rr_get_interval

scheudle 函数

• 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
• 调用方法：
  
  • 直接调用，如sleep_on
  • 松散调用，根据need_resched标记

进程调度的时机（重点）

• 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。

用户态被动调度
内核线程只有内核态没有用户态的特殊进程，无需系统调用。

插曲：张银奎说程序进入内核态犹如人睡觉啦。这个笑话很有意思

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；

区别是否是同一个进程

• 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）

还有硬件上下文

• 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

进程代码切换代码分析（重点）

第一节第二堂课

位置：kernel/sched/core.c

如果想看到这里面详细的值，可以使用gcc -O0试试

待补充

• esp eip 切换 ，
  
  • esp 先切换
  • eip 再切换
  • 利用push eip +call 起到了类似的call 作用，但是灵活修改了eip 。/这点很牛/

Linux系统的一般执行过程

位置：教程第二节第一讲

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. 在运行的用户态进程X 发生中断，硬件完成以下：

   • save cs:eip/esp/eflags(current) to kernel stack
   • load cs:eip(entry of a specific ISR) and ss:esp(point to kernel stack).

2. SAVE_ALL //保存现场

3. 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

4. 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)

已经变成Y进程上下文，真是 庄周做梦

1. restore_all //恢复现场
2. iret - pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack
3. 继续运行用户态进程Y

进程间的 几种特殊情况

先普通 再特殊

• 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；

2个内核线程之间切换，cs段没有改变我
用户进程和内核线程间切换

• 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；

没有发生中断，也就是没有int 指令和iret指令喔，

• 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；

pre :parent
next: child
so next_ip =ret_from_fork ,不是switch_to中的标号1喔

• 加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况，如execve；

pre：parent
next:execve产生的进程（记住，execve也是系统调用）
联想start_thread(execve内部）,里面有修改进程上下文的内容喔，所以以新的中断上下文返回

开眼界 内核 舞女

dancing girls vs Taxi girl

0-3g
3g-4g 内核态
如果每个进程都有自己的内核栈，如何切换？

原因是：内核态下(3G以上空间），各进程的代码段/堆栈段是可以统一访问的
借用老师的话：内核是taxi

内核是什么？
内核是各种中断处理过程和内核线程的集合！ 精炼啊 大道至简 道法自然

Linux操作系统架构和系统执行过程概览

操作系统的基本概念

♦ 任何计算机系统都包含一个基本的程序集 合，称为操作系统。
– 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）
♦ 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

围绕系统架构图

最简单也是最复杂的操作

ls 命令 就是 一讲！ 不简单

有时间的话 可以看看strace

换个角度 cpu执行指令 +内存角度看

某种程度上说，
cpu执行指令的演示很精彩
后者就是在说进程地址空间

本章要求 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，可以在内核代码中搜索schedule()函数，看都是哪里调用了schedule()，判断我们课程内容中的总结是否准确；

验证

• 使用gdb跟踪分析一个schedule()函数 ，验证您对Linux系统进程调度与进程切换过程的理解；推荐在实验楼Linux虚拟机环境下完成实验。

• 特别关注并仔细分析switch_to中的汇编代码，理解进程上下文的切换机制，以及与中断上下文切换的关系；

根据本周所学知识分析并理解Linux中进程调度与进程切换过程，撰写一篇署名博客，并在博客文章中注明“真实姓名（与最后申请证书的姓名务必一致） + 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 ”，博客内容的具体要求如下：

• 题目自拟，内容围绕对进程调度的时机和进程切换进行；
• 可以结合关键代码、实验截图、堆栈状态、CPU寄存器状态等；
• 博客内容中需要仔细分析进程的调度时机、switch_to及对应的堆栈状态等。
• 总结部分需要阐明自己对“Linux系统一般执行过程”的理解

其他

可以找到一个ppt 讲 switch_to ,看寄存器变化吗？
mykernel其实就是一个简化版本的switch