孫業毅 原創作品 轉載請註明出處

第八講 程序的切換和系統的一般執行過程

@2015.04

一、理論知識

Linux系統的一般執行過程

最一般的情況：正在執行的使用者態程序X切換到執行使用者態程序Y的過程

1. 正在執行的使用者態程序X

2. 發生中斷——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 //儲存現場，這裡是已經進入核心中斷處裡過程

4. 中斷處理過程中或中斷返回前呼叫了schedule()

5. 標號1之後開始執行使用者態程序Y(這裡Y曾經通過以上步驟被切換出去過因此可以從標號1繼續執行)

7. iret - pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack

8. 繼續執行使用者態程序Y

幾種特殊情況

• 通過中斷處理過程中的排程時機，使用者態程序與核心執行緒之間互相切換和核心執行緒之間互相切換，與最一般的情況非常類似，只是核心執行緒執行過程中發生中斷沒有程序使用者態和核心態的轉換；
• 核心執行緒主動呼叫schedule()，只有程序上下文的切換，沒有發生中斷上下文的切換，與最一般的情況略簡略；
• 建立子程序的系統呼叫在子程序中的執行起點及返回使用者態，如fork
  ；
• 載入一個新的可執行程式後返回到使用者態的情況，如execve；

程序的排程時機與程序的切換

作業系統原理中介紹了大量程序排程演算法，這些演算法從實現的角度看僅僅是從執行佇列中選擇一個新程序，選擇的過程中運用了不同的策略而已。

對於理解作業系統的工作機制，反而是程序的排程時機與程序的切換機制更為關鍵。

程序排程的時機

• 中斷處理過程（包括時鐘中斷、I/O中斷、系統呼叫和異常）中，直接呼叫schedule()，或者返回使用者態時根據need_resched標記呼叫schedule()；比如sleep，就可能直接呼叫了schedule
• 核心執行緒可以直接呼叫schedule()進行程序切換，也可以在中斷處理過程中進行排程，也就是說核心執行緒作為一類的特殊的程序
  可以主動排程，也可以被動排程；
• 使用者態程序無法實現主動排程，僅能通過陷入核心態後的某個時機點進行排程，即在中斷處理過程中進行排程。使用者態程序只能被動排程。

程序的切換

• 為了控制程序的執行，核心必須有能力掛起正在CPU上執行的程序，並恢復以前掛起的某個程序的執行，這叫做程序切換、任務切換、上下文切換；即程序上下文切換！
• 掛起正在CPU上執行的程序，與中斷時儲存現場是不同的，中斷前後是在同一個程序上下文中，只是由使用者態轉向核心態執行；
• 程序上下文包含了程序執行需要的所有資訊
  • 使用者地址空間：包括程式程式碼，資料，使用者堆疊等
  • 控制資訊：程序描述符，核心堆疊等
  • 硬體上下文（注意中斷也要儲存硬體上下文只是儲存的方法不同）
• schedule()函式選擇一個新的程序來執行，並呼叫context_switch進行上下文的切換，這個巨集呼叫switch_to來進行關鍵上下文切換

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" /*下一個程序開始執行的地方！*/                        \

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)

二、實驗

實驗內容

1.理解Linux系統中程序排程的時機，可以在核心程式碼中搜索schedule()函式，看都是哪裡呼叫了schedule()，判斷我們課程內容中的總結是否準確；
2.使用gdb跟蹤分析一個schedule()函式 ，驗證您對Linux系統程序排程與程序切換過程的理解；推薦在實驗樓Linux虛擬機器環境下完成實驗。
3.特別關注並仔細分析switch_to中的彙編程式碼，理解程序上下文的切換機制，以及與中斷上下文切換的關係；

實驗步驟

2. 在shell中依次執行以下命令，獲取本次實驗的程式碼，並編譯執行

cd LinuxKernel

rm menu -rf

git clone https://github.com/mengning/menu.git

cd menu

mv test_exec.c test.c

make rootfs 

3. 關閉QEMU視窗，在shell視窗中，cd LinuxKernel回退到LinuxKernel目錄，使用下面的命令啟動核心並在CPU執行程式碼前停下以便除錯：

qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -s -S 

接下來，我們就可以水平分割一個新的shell窗口出來，依次使用下面的命令啟動gdb除錯

gdb

(gdb) file linux-3.18.6/vmlinux

(gdb) target remote:1234

並在系統呼叫

關閉QEMU視窗，在shell視窗中，cd LinuxKernel回退到LinuxKernel目錄，使用下面的命令啟動核心並在CPU執行程式碼前停下以便除錯：

qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -s -S 

接下來，我們就可以水平分割一個新的shell窗口出來，依次使用下面的命令啟動gdb除錯

gdb

(gdb) file linux-3.18.6/vmlinux

(gdb) target remote:1234

並在核心函式schedule的入口處設定斷點，接下來輸入c繼續執行，則系統即可停在該函式處，接下來我們就可以使用命令n或者s逐步跟蹤，可以詳細瀏覽pick_next_task，switch_to等函式的執行過程，有圖為證：