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《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-10000
背景知识
一般程序运行过程中都会发生中断,发生中断时,CPU先把当前的内容保存,然后执行中断程序,中断返回时,根据保存的内容恢复现场。这次实验用一个简单的时间片轮转程序分析进程调度的过程。
实验过程
使用实验楼的虚拟机操作,实验代码在mykernel中找,包括3个c文件,mypcb.h,mymain.c,myinterrupt.c。
打开实验楼的shell,修改mykernel文件夹中的三个文件,然后make
cd LinuxKernel/linux-3.9.4 cd mykernel vi mymain.c vi myinterrupt.c vi mypcb.h cd .. make allnoconfig make
运行结果的部分截图如下,可以看到此时进程3切换到进程0
代码分析
实验用到三个c文件, mypcb.h,mymain.c,myinterrupt.c。其中,
mypcb.h的主要功能:
1.PCB结构体
2.Thread结构体
3.声明了my_schedule函数
mymain.c的主要功能:
1.my_start_kernel函数创建进程0,也是入口函数
2.复制进程
3.进程函数my_process,其中有my_schedule函数的调用
myinterrupt.c的主要功能:
1.my_timer_handler产生时钟中断
2.my_schedule切换进程
下面分析程序的执行过程
mypcb.h中设置MAX_TASK_NUM的值为4,也就是共有四个进程,分别为0,1,2,3.
程序从my_start_kernel开始执行,
int pid = 0; int i; /* Initialize process 0*/ task[pid].pid = pid;/*进程0*/ task[pid].state = 0;/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped 进程0的初始状态为可运行 */ task[pid].task_entry = task[pid].thread.ip = (unsigned long)my_process;/*进程0的eip指向my_process*/ task[pid].thread.sp = (unsigned long)&task[pid].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];/*初始时sp指向分配给进程0的堆栈的最高地址*/ task[pid].next = &task[pid];/*初始进程0的下一个进程是进程0*/
然后复制了三个进程,注意
task[i].state = -1;/*进程1,2,3的初始状态不可执行*/
task[i].next = task[i-1].next; task[i-1].next = &task[i];
这两句代码设置了进程的切换方式,比如进程0切换到进程1,进程1切换到进程2。
/* start process 0 by task[0] */ pid = 0; my_current_task = &task[pid]; asm volatile( "movl %1,%%esp\n\t" /* set task[pid].thread.sp to esp */ "pushl %1\n\t" /* push ebp */ "pushl %0\n\t" /* push task[pid].thread.ip */ "ret\n\t" /* pop task[pid].thread.ip to eip */ "popl %%ebp\n\t" : : "c" (task[pid].thread.ip),"d" (task[pid].thread.sp) /* input c or d mean %ecx/%edx*/ );
现在执行的是进程0,这段代码是把esp指向分配给进程0的堆栈段的最高地址,把当前ebp入栈保存,eip指向task[pid].thread.ip,也就是my_process,开始执行my_process函数。这里ret执行以后,转到my_process函数,"popl %%ebp\n\t"这一句不执行。
if(i%10000000 == 0) { printk(KERN_NOTICE "this is process %d -\n",my_current_task->pid); if(my_need_sched == 1) { my_need_sched = 0;/*置为0,不能进行进程调度,直到再次发生时钟中断置为1*/ my_schedule(); } printk(KERN_NOTICE "this is process %d +\n",my_current_task->pid);
}
结合my_timer_handler函数一起分析
if(time_count%1000 == 0 && my_need_sched != 1) { printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<\n"); my_need_sched = 1;/*置为1*/ }
初始my_need_sched值为0,my_timer_handler函数发生时钟中断时,置my_need_sched值为1,my_process函数中满足进程调度条件,调用my_schedule()。进程0的next是进程1,初始时,进程1,2,3的state均为-1,故执行else段。也就是说初次切换到进程1,2,3时都是先执行else段的代码。
else { next->state = 0; my_current_task = next; printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid); /* switch to new process */ asm volatile( "pushl %%ebp\n\t" /* save ebp */ "movl %%esp,%0\n\t" /* save esp */ "movl %2,%%esp\n\t" /* restore esp */ "movl %2,%%ebp\n\t" /* restore ebp */ "movl $1f,%1\n\t" /* save eip */ "pushl %3\n\t" "ret\n\t" /* restore eip */ : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip) : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip) ); }
1.state:先把进程1的state置为0,下次切换到进程1的时候,就是执行if段。
2.ebp、esp:目前依然在进程0的堆栈中,先把进程0的ebp入栈保存,设置pre->thread.sp为进程0的当前esp,然后esp、ebp都指向进程1的esp,其被初始化为分配给进程1的堆栈的最高地址。ebp、esp值相同,因为进程1初次使用,堆栈为空。
3.eip:设置进程0的eip为$1f,用pre->thread.ip保存,表示if代码段1:处,即下次切换到进程0时,从1:处开始执行。eip指向eip指向进程1的eip,其被初始化为my_process。
这时即完成了进程0向进程1的切换。进程1切换进程2,进程2切换到进程3的执行过程与之类似。
当进程3切换到进程0时,由于进程0已经被执行过一次,其state为0,此时执行if代码段。
if(next->state == 0)/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */ { /* switch to next process */ asm volatile( "pushl %%ebp\n\t" /* save ebp */ "movl %%esp,%0\n\t" /* save esp */ "movl %2,%%esp\n\t" /* restore esp */ "movl $1f,%1\n\t" /* save eip */ "pushl %3\n\t" "ret\n\t" /* restore eip */ "1:\t" /* next process start here */ "popl %%ebp\n\t" : "=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip) : "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip) ); my_current_task = next; printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid); }
这段代码与else段代码大体过程相同,就是保存进程3的ebp,esp,eip,然后对esp,eip重新赋值。不同的是:
1.if没有设置ebp的值,此时进程0的栈非空
2.if中设置的eip为进程0的eip,也就是执行到1:处,注意此时是已经转到了进程0的堆栈中。然后执行pop %%ebp,由于进程0的栈顶元素是进程0被中断时保存的ebp,此时进程0的堆栈情况和被中断时的堆栈情况一样。
继续执行下面的代码,是在进程0的堆栈中执行的。
程序继续运行,以后发生的进程切换执行的都是if段代码,和上述过程相同。
进程切换的执行过程可以表示为
另外可以看出,进程的next,prev是变化的,当前的prev进程,在以后的进程调度中,会变成next进程。