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進程調(diào)度
Linux的調(diào)度程序是一個叫schedule()的函數(shù)，這個函數(shù)被調(diào)用的頻率很高，由它來決定是否要進行進程的切換，如果要切換的話，切換到哪個進程等等。
Linux調(diào)度時機主要有：
- 中斷處理過程（包括時鐘中斷、I/O中斷、系統(tǒng)調(diào)用和異常）中，直接調(diào)用schedule()，或者返回用戶態(tài)時根據(jù)need_resched標(biāo)記調(diào)用schedule()
- 內(nèi)核線程可以直接調(diào)用schedule()進行進程切換，也可以在中斷處理過程中進行調(diào)度，也就是說內(nèi)核線程作為一類的特殊的進程可以主動調(diào)度，也可以被動調(diào)度；
- 用戶態(tài)進程無法實現(xiàn)主動調(diào)度，僅能通過陷入內(nèi)核態(tài)后的某個時機點進行調(diào)度，即在中斷處理過程中進行調(diào)度。
代碼分析
關(guān)鍵函數(shù)的調(diào)用關(guān)系:
schedule() --> context_switch() --> switch_to --> __switch_to()
- schedule()
這里調(diào)用__schedule(),tsk為當(dāng)前進程.
asmlinkage __visible void __sched schedule(void)
{
struct task_struct *tsk = current;
sched_submit_work(tsk);
__schedule();
}
- __schedule();
該函數(shù)包含了一些:
- 針對搶占的處理
- 自旋鎖(
raw_spin_lock_irq(&rq->lock);) - 檢查prev的狀態(tài),并且重設(shè)state的狀態(tài)
- 進程調(diào)度算法(
next = pick_next_task(rq, prev);) - 更新就緒隊列的時鐘
- 進程上下文切換(
context_switch(rq, prev, next);)
static void __sched __schedule(void)
{
struct task_struct *prev, *next;
unsigned long *switch_count;
struct rq *rq;
int cpu;
...
//調(diào)度算法
next = pick_next_task(rq, prev);
clear_tsk_need_resched(prev);
clear_preempt_need_resched();
rq->skip_clock_update = 0;
if (likely(prev != next)) {
rq->nr_switches++;
rq->curr = next;
++*switch_count;
//進程上下文切換
context_switch(rq, prev, next);
cpu = smp_processor_id();
rq = cpu_rq(cpu);
} else
raw_spin_unlock_irq(&rq->lock);
post_schedule(rq);
sched_preempt_enable_no_resched();
if (need_resched())
goto need_resched;
}
- context_switch
在挑選得到了下一個即將被調(diào)度進來的進程之后，如果被選中的進程不是當(dāng)前正在運行的進程，那么需要進行上下文切換以執(zhí)行被選中的進程即context_switch.
context_switch中包含了:
- 判斷是否為內(nèi)核線程,即是否需要上下文切換(
mm)- 如果next是一個普通進程，schedule( )函數(shù)用next的地址空間替換prev的地址空間
- 如果prev是內(nèi)核線程或正在退出的進程，context_switch()函數(shù)就把指向prev內(nèi)存描述符的指針保存到運行隊列的prev_mm字段中，然后重新設(shè)置prev->active_mm
- 切換堆棧和寄存器(
switch_to(prev, next, prev);)
ps:宏switch_to用來進行關(guān)鍵上下文切換
static inline void
context_switch(struct rq *rq, struct task_struct *prev,
struct task_struct *next)
{
struct mm_struct *mm, *oldmm;
prepare_task_switch(rq, prev, next);
mm = next->mm;
oldmm = prev->active_mm;
arch_start_context_switch(prev);
if (!mm) {
next->active_mm = oldmm;
atomic_inc(&oldmm->mm_count);
enter_lazy_tlb(oldmm, next);
} else
switch_mm(oldmm, mm, next);
if (!prev->mm) {
prev->active_mm = NULL;
rq->prev_mm = oldmm;
}
spin_release(&rq->lock.dep_map, 1, _THIS_IP_);
context_tracking_task_switch(prev, next);
/* Here we just switch the register state and the stack. */
switch_to(prev, next, prev);
barrier();
finish_task_switch(this_rq(), prev);
}
宏switch_to
#define switch_to(prev, next, last)
do {
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)
這個宏實現(xiàn)了進程之間的真正切換:
- 首先在當(dāng)前進程prev的內(nèi)核棧中保存esi,edi及ebp寄存器的內(nèi)容。
- 然后將prev的內(nèi)核堆棧指針ebp存入prev->thread.esp中。
- 把將要運行進程next的內(nèi)核棧指針next->thread.esp置入esp寄存器中
- 將popl指令所在的地址保存在prev->thread.eip中，這個地址就是prev下一次被調(diào)度
- 通過jmp指令（而不是call指令）轉(zhuǎn)入一個函數(shù)
__switch_to() - 恢復(fù)next上次被調(diào)離時推進堆棧的內(nèi)容。從現(xiàn)在開始，next進程就成為當(dāng)前進程而真正開始執(zhí)行。
內(nèi)核堆棧情況:
stack1.png
stack2.png
stack3.png
__switch_to函數(shù)
在宏switch_to中,用jmp跳轉(zhuǎn)到該函數(shù)運行.
該函數(shù)主要進行一些針對TSS的操作,不再贅述
__visible __notrace_funcgraph struct task_struct *
__switch_to(struct task_struct *prev_p, struct task_struct *next_p)
{
struct thread_struct *prev = &prev_p->thread,
*next = &next_p->thread;
int cpu = smp_processor_id();
struct tss_struct *tss = &per_cpu(init_tss, cpu);
fpu_switch_t fpu;
fpu = switch_fpu_prepare(prev_p, next_p, cpu);
load_sp0(tss, next);
lazy_save_gs(prev->gs);
load_TLS(next, cpu);
if (get_kernel_rpl() && unlikely(prev->iopl != next->iopl))
set_iopl_mask(next->iopl);
task_thread_info(prev_p)->saved_preempt_count = this_cpu_read(__preempt_count);
this_cpu_write(__preempt_count, task_thread_info(next_p)->saved_preempt_count);
if (unlikely(task_thread_info(prev_p)->flags & _TIF_WORK_CTXSW_PREV ||
task_thread_info(next_p)->flags & _TIF_WORK_CTXSW_NEXT))
__switch_to_xtra(prev_p, next_p, tss);
arch_end_context_switch(next_p);
this_cpu_write(kernel_stack,
(unsigned long)task_stack_page(next_p) +
THREAD_SIZE - KERNEL_STACK_OFFSET);
if (prev->gs | next->gs)
lazy_load_gs(next->gs);
switch_fpu_finish(next_p, fpu);
this_cpu_write(current_task, next_p);
return prev_p;
}
GDB調(diào)試
使用MenuOS進行調(diào)試,并設(shè)置合適的斷點.
- 首先在schedule處停下來:
process1.png
- 查看當(dāng)前進程
tsk,觀察到該進程pid=1,stack=0xC7858000
process2.png
- 繼續(xù)執(zhí)行,到__schedule中的關(guān)鍵函數(shù)pick_next_task停下
process3.png
- 查看隊列
rq
process4.png
- context_switch
process5.png
- switch_to宏&__switch_to函數(shù)
process6.png
- 在這里查看切換的進程prev&next,prev就是最開始tsk
process7.png
process8.png
總結(jié)
- Linux的調(diào)度程序是一個叫schedule()的函數(shù)，這個函數(shù)被調(diào)用的頻率很高，由它來決定是否要進行進程的切換，如果要切換的話，切換到哪個進程等等。
- Linux系統(tǒng)的一般執(zhí)行過程主要在進程X切換到進程Y
- 正在運行的用戶態(tài)進程X
- 發(fā)生中斷
- SAVE_ALL
- 中斷處理過程中或中斷返回前調(diào)用了schedule()
- 開始運行用戶態(tài)進程Y
- restore_all
- iret
- 繼續(xù)運行用戶態(tài)進程Y
- 內(nèi)核線程主動調(diào)用
schedule()，只有進程上下文的切換 - 宏
switch_to實現(xiàn)了進程之間的真正切換
