Linux內核進程調度的時機和進程切換

    陳鐵+ 原創作品轉載請註明出處 + 《Linux內核分析》MOOC課程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

        對於現代操作系統,多任務是必備的,在linux系統下,進程會不斷的被內核調度,從X進程切換爲Y進程,以實現用戶所見到的多任務狀態,下面我們就看一看這樣的過程,分析一下內核如何對進程調度,以及進程間如何切換。

        內核使用schedule()函數實現進程的調度,而通常的用戶進程要無法主動調度這個函數,只能通過中斷處理過程(包括時鐘中斷、I/O中斷、系統調用和異常)在某個合適的時機點被動調度;對於現代操作系統,還有內核線程,而內核線程是可以直接調度schedule函數的,只有內核態,當然也可以象用戶態進程一樣在中斷處理過程中被動調度。

        爲了控制進程的執行,內核必須有能力掛起正在CPU上執行的進程,並恢復以前掛起的某個進程的執行,這叫做進程切換、任務切換、上下文切換;掛起正在CPU上執行的進程,與中斷時保存現場不同的,中斷前後是在同一個進程上下文中,只是由用戶態轉向內核態執行;而進程切換是在兩個進程之間進行轉換,切換前後的上下文是在不同的進程空間。進程上下文包含了進程執行需要的所有信息:用戶地址空間:包括程序代碼,數據,用戶堆棧等;控制信息:進程描述符,內核堆棧等;硬件上下文。

        下面將進程切換的關鍵代碼摘錄如下:

         1、schedule函數

asmlinkage __visible void __sched schedule(void)
{
	struct task_struct *tsk = current;

	sched_submit_work(tsk);
	__schedule();
}

   2、__schedule()函數

2770static void __sched __schedule(void)
2771{
2772	struct task_struct *prev, *next;
2773	unsigned long *switch_count;
2774	struct rq *rq;
2775	int cpu;
2776
2777need_resched:
2778	preempt_disable();
2779	cpu = smp_processor_id();
2780	rq = cpu_rq(cpu);
2781	rcu_note_context_switch(cpu);
2782	prev = rq->curr;
2783
2784	schedule_debug(prev);
2785
2786	if (sched_feat(HRTICK))
2787		hrtick_clear(rq);
2788
2789	/*
2790	 * Make sure that signal_pending_state()->signal_pending() below
2791	 * can't be reordered with __set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE)
2792	 * done by the caller to avoid the race with signal_wake_up().
2793	 */
2794	smp_mb__before_spinlock();
2795	raw_spin_lock_irq(&rq->lock);
2796
2797	switch_count = &prev->nivcsw;
2798	if (prev->state && !(preempt_count() & PREEMPT_ACTIVE)) {
2799		if (unlikely(signal_pending_state(prev->state, prev))) {
2800			prev->state = TASK_RUNNING;
2801		} else {
2802			deactivate_task(rq, prev, DEQUEUE_SLEEP);
2803			prev->on_rq = 0;
2804
2805			/*
2806			 * If a worker went to sleep, notify and ask workqueue
2807			 * whether it wants to wake up a task to maintain
2808			 * concurrency.
2809			 */
2810			if (prev->flags & PF_WQ_WORKER) {
2811				struct task_struct *to_wakeup;
2812
2813				to_wakeup = wq_worker_sleeping(prev, cpu);
2814				if (to_wakeup)
2815					try_to_wake_up_local(to_wakeup);
2816			}
2817		}
2818		switch_count = &prev->nvcsw;
2819	}
2820
2821	if (task_on_rq_queued(prev) || rq->skip_clock_update < 0)
2822		update_rq_clock(rq);
2823
2824	next = pick_next_task(rq, prev);
2825	clear_tsk_need_resched(prev);
2826	clear_preempt_need_resched();
2827	rq->skip_clock_update = 0;
2828
2829	if (likely(prev != next)) {
2830		rq->nr_switches++;
2831		rq->curr = next;
2832		++*switch_count;
2833
2834		context_switch(rq, prev, next); /* unlocks the rq */
2835		/*
2836		 * The context switch have flipped the stack from under us
2837		 * and restored the local variables which were saved when
2838		 * this task called schedule() in the past. prev == current
2839		 * is still correct, but it can be moved to another cpu/rq.
2840		 */
2841		cpu = smp_processor_id();
2842		rq = cpu_rq(cpu);
2843	} else
2844		raw_spin_unlock_irq(&rq->lock);
2845
2846	post_schedule(rq);
2847
2848	sched_preempt_enable_no_resched();
2849	if (need_resched())
2850		goto need_resched;
2851}

    其中關鍵語句:    

struct task_struct *prev, *next;    
next = pick_next_task(rq, prev);        //進程調度算法
context_switch(rq, prev, next); /* unlocks the rq */ //進程上下文切換

   3、context_switch函數

2332 * context_switch - switch to the new MM and the new
2333 * thread's register state.
2334 */
2335static inline void
2336context_switch(struct rq *rq, struct task_struct *prev,
2337	       struct task_struct *next)
2338{
2339	struct mm_struct *mm, *oldmm;
2340
2341	prepare_task_switch(rq, prev, next);
2342
2343	mm = next->mm;
2344	oldmm = prev->active_mm;
2345	/*
2346	 * For paravirt, this is coupled with an exit in switch_to to
2347	 * combine the page table reload and the switch backend into
2348	 * one hypercall.
2349	 */
2350	arch_start_context_switch(prev);
2351
2352	if (!mm) {
2353		next->active_mm = oldmm;
2354		atomic_inc(&oldmm->mm_count);
2355		enter_lazy_tlb(oldmm, next);
2356	} else
2357		switch_mm(oldmm, mm, next);
2358
2359	if (!prev->mm) {
2360		prev->active_mm = NULL;
2361		rq->prev_mm = oldmm;
2362	}
2363	/*
2364	 * Since the runqueue lock will be released by the next
2365	 * task (which is an invalid locking op but in the case
2366	 * of the scheduler it's an obvious special-case), so we
2367	 * do an early lockdep release here:
2368	 */
2369	spin_release(&rq->lock.dep_map, 1, _THIS_IP_);
2370
2371	context_tracking_task_switch(prev, next);
2372	/* Here we just switch the register state and the stack. */
2373	switch_to(prev, next, prev);
2374
2375	barrier();
2376	/*
2377	 * this_rq must be evaluated again because prev may have moved
2378	 * CPUs since it called schedule(), thus the 'rq' on its stack
2379	 * frame will be invalid.
2380	 */
2381	finish_task_switch(this_rq(), prev);
2382}

   4、switch_to宏定義了一段內聯彙編代碼

31#define switch_to(prev, next, last)					\
32do {									\
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"		/* save    flags */	\
43		     "pushl %%ebp\n\t"		/* save    EBP   */	\
44		     "movl %%esp,%[prev_sp]\n\t"	/* save    ESP   */ \
45		     "movl %[next_sp],%%esp\n\t"	/* restore ESP   */ \
46		     "movl $1f,%[prev_ip]\n\t"	/* save    EIP   */	\
47		     "pushl %[next_ip]\n\t"	/* restore EIP   */	\
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");					\
77} while (0)

  通過以上代碼,我們可以看到,當cpu由正在運行的X進程切換到Y進程的大致步驟,其中X,Y是哪一個進程是由調度算法決定的。

  進程X正在中運行->發生中斷->進行中斷處理(保存當前的eflag,eip,esp;加載內核中特定的eflag,eip,esp)->執行SAVE ALL->中斷處理過程中或中斷返回前調用了schedule(),switch_to實現關鍵的進程上下文切換->開始從標號1之後運行用戶態進程Y->restore all->iret從內核堆棧中返回eflag,eip,esp->繼續執行Y進程。對於前面提到的內核線程,以及系統中的特殊調用fork和execve會有些特殊,但大致原則是相同的。

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