Linux内核课第八周作业。本文在云课堂中实验楼完成。 原创作品转载请注明出处 《Linux内核分析》MOOC课程

一.schedule()函数介绍

１.进程调度的时机

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。

2.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；

进程上下文包含了进程执行需要的所有信息：

1. 用户地址空间: 包括程序代码，数据，用户堆栈等
2. 控制信息: 进程描述符，内核堆栈等
3. 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）

3.具体进程切换的代码分析

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：

主要调用过程：

1. next = pick_next_task(rq, prev);//进程调度算法都封装这个函数内部
2. context_switch(rq, prev, next);//进程上下文切换
3. 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

1)schedule()函数

首先，切换时候，调用call schedule()；来执行schedule（）函数，如下图所示：

使用struct task_struct *tsk = current; 来获取当前进程；sched_submit_work(tsk); 避免死锁；最后调用＿schedule()来处理切换过程

２)＿schedule()函数

其中 need_resched:为切换前的变量准备：

preempt_disable()；//禁止内核抢占；
cpu = smp_processor_id(); //获取当前CPU
rq = cpu_rq(cpu); //获取该CPU维护的运行队列（run queue)
rcu_note_context_switch(cpu); //更新全局状态，标识当前CPU发生上下文的切换
prev = rq->curr; //运行队列中的curr指针赋予prev。

其中的next=pick_next_task(rq, prev)来确定使用哪一种进程调度的策略，但总是选择了下一个进程来进行切换，即根据调度策略选择一个优先级最高的任务将其定为下一个进程，最后都是调用context_switch来进行进程上下文的切换过程．

３)context_switch函数解析

其中prepare_task_switch（）函数是完成切换前的准备工作；接着后面判断当前进程是不是内核线程，如果是内核线程，则不需要切换上下文

接着调用switch_mm(),把虚拟内存从一个进程映射切换到新进程中
调用switch_to(),从上一个进程的处理器状态切换到新进程的处理器状态。这包括保存、恢复栈信息和寄存器信息

如果next是内核线程，则线程使用prev所使用的地址空;schedule( )函数把该线程设置为懒惰TLB模式

事实上，每个内核线程并不拥有自己的页表集(task_struct->mm = NULL)；更确切地说，它使用一个普通进程的页表集。不过，没有必要使一个用户态线性地址对应的TLB表项无效，因为内核线程不访问用户态地址空间。

如果next是一个普通进程，schedule( )函数用next的地址空间替换prev的地址空间

　　|————————————–| 　　| } else | 　　| switch_mm(oldmm, mm, next); | 　　|————————————–|

如果prev是内核线程或正在退出的进程，context_switch()函数就把指向prev内存描述符的指针保存到运行队列的prev_mm字段中，然后重新设置prev->active_mm

context_switch()最后调用switch_to()执行prev和next之间的进程切换了 　　　　|———————————-| 　　　　| switch_to(prev, next, prev); | 　　　　|———————————-| 　　　　 return prev; 　　　　}

４)switch_to（）函数解析 　

switch_to(prev, next, prev)：切换堆栈和寄存器的状态．

switch_to是一个宏定义，完成的工作主要是：

(1)保存当前进程的flags状态和当前进程的ebp

　　"pushfl\n\t"		/* save    flags */	  
　　"pushl %%ebp\n\t"		/* save    EBP  */	

(2)完成内核堆在esp的切换

　　 "movl %%esp,%[prev_sp]\n\t"    /* save    ESP   */ 
　　 "movl %[next_sp],%%esp\n\t"    /* restore ESP   */ 

进程切换的时候，要修改堆栈，eip等数据．在switch_to中完成了这个工作。

(3)保存eip的值

　　"movl $1f,%[prev_ip]\n\t" /* save    EIP   */ \
　　"pushl %[next_ip]\n\t" /* restore EIP   */ \

将标号1:的地址保存到prev->thread.ip中，然后下一次该进程被调用的时候，就从１的位置开始执行。 　

注明：如果之前next也被switch_to出去过，那么next->thread.ip里存的就是下面这个1f的标号，但如果next进程刚刚被创建，之前没有被switch_to出去过，那么next->thread.ip里存的将是ret_ftom_fork，即进程刚刚被fork后执行exec．

(4)jmp __switch_to

让参数不压入堆栈，而是使用寄存器传值，来调用__switch_to eax存放prev,edx存放next。

二.gdb跟踪schedule函数

小结：整个schedule的执行过程如下图所示
　|———————————-| 　schedule
　　sched_submit_work(tsk)
　　_schedule()
　　　　pick_next_task
　　　　context_switch(rq,prev,next)
　　　　　　prepare_task_switch
　　　　　　判断是不是内核线程
　　　　　　switch_mm
　　　　　　switch_to
　　　　　　　　_switch_to
　　　　　　finish_task_switch