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20169217 《Linux内核原理与分析》 第十周作业
实验内容
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；
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；
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；
Linux系统进程调度与进程切换过程
进程调度分为三种类型：
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。
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
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
switch to代码分析：
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)
使用gdb设置断点跟踪分析schedule：
总结：
一般情形： 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、中断——save cs:eip/esp/eflags(current) to kernel stack，and load cs:eip(entry of a specific ISR) and ss:esp(point to kernel stack)；
3、SAVE_ALL //保存现场；
4、中断处理或中断返回前调用 schedule，其中，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；
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；
特殊情况：
1、通过中断处理过程中的调度，用户态进程与内核进程之间互相切换，与一般情形类似；
2、内核进程程主动调用 schedule 函数，只有进程上下文的切换，没有中断上下文切换；
3、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；
4、加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况，如：execve；
教材内容总结：
第十五章：
之前的章节介绍了内核管理物理内存，其实内核除了管理本身的内存外，还必须管理用户空间中进程的内存。
内核使用内存描述符结构体表示进程的地址空间，内存描述符由mm_struct结构体表示。
内核通过vm_area_struct表示该空间中的内存区域。
并且通过mmap()和munmap()创建和撤销这些内存区域。
最后讨论了页表的结构和功能。
第十六章：
讨论了Linux的页高速缓存和页回写。内核可以通过页缓存执行页I/O操作以及这些页告诉缓存可以利用减少磁盘I/O，从而极大地提升系统性能。
通过称为“回写缓存”的进程维护在缓存中更新页面。
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