本篇文章通过用gdb对进程调度时机跟踪来分析在Linux系统中进程调度与进程切换的过程。
相关知识
首先关于这篇文章会介绍一些用到的知识。
一、进程调度的分类：
传统上将进程分类为：“I/O受限（I/O-bound）”和“CPU受限（CPU-bound）”。前者频繁地使用I/O设备，并花费很多时间等待I/O操作的完成；后者则需要大量的CPU时间的数值计算的应用程序。
另一种分法，分为三类：交互式进程（interactive process）、批处理进程（batch process）、实时进程（real-time process）
二、进程的调度，调度的发生主要有两种方式：
1：主动式调度(自愿调度)
在内核中主动直接调用进程调度函数schedule()，当进程需要等待资源而暂时停止运行时，会把状态置于挂起（睡眠），并主动请求调度，让出cpu。
2：被动式调度（抢占式调度、强制调度）：用户抢占和内核抢占
（1）用户抢占发生在：从系统调用返回用户空间和从中断处理程序返回用户空间。
（2）内核抢占：在不支持内核抢占的系统中，进程/线程一旦运行于内核空间，就可以一直执行，直到它主动放弃或时间片耗尽为止。这样一些非常紧急的进程或线程将长时间得不到运行。
三、调度的算法有：
1：先来先服务和短作业(进程)优先调度算法
（1）先来先服务调度算法
（2）短作业(进程)优先调度算法
2：高优先权优先调度算法
（1）优先权调度算法的类型
（2）高响应比优先调度算法
3：基于时间片的轮转调度算法
（1）时间片轮转法
（2）多级反馈队列调度算法
其他详细的内容可以参考《深入理解linux内核》第七章。
实验过程：
试验环境的搭建，请大家参考我的《Linux操作系统分析》之分析Linux内核创建一个新进程的过程这篇博客。
下面是实验过程中的一些截图：
首先是设置断点，以便进行跟踪。
然后设置完成后，执行exec命令，就可以进行跟踪，跟踪结果如下：
分析过程：
通过上面的实验结果，我们可以看出程序的执行切换的过程，大概如下：
schedule() -> pick_next_task()->context_switch() -> switch_to -> __switch_to()
它们的功能如下：
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，通过这个函数选出一个进程作为下一个执行的进行。
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，来进行进程的切换。
schedule()的代码如下：
asmlinkage __visible void __sched schedule(void)__schedule的代码，删减了一下，如下：
{
struct task_struct *tsk = current;
sched_submit_work(tsk);
__schedule();//调用__schedule()
}
static void __sched __schedule(void)在__schedule执行的过程中，又执行了 pick_next_task()和 context_switch() ， pick_next_task()是进程调度通过调度算法，选择出一个就绪态的进程给系统。我们分析一下context_switch()这个函数。
{
struct task_struct *prev, *next;//定义两个指针，指向当前和下一个进程
unsigned long *switch_count; //进程切换次数
struct rq *rq; //就绪队列
int cpu;
need_resched:
preempt_disable(); //关闭内核抢占
cpu = smp_processor_id(); //多CPU下，选择其一
rq = cpu_rq(cpu); //与CPU相关的rq保存在rq中
rcu_note_context_switch(cpu);
prev = rq->curr; //将rq当前的值赋给prev
//省略
if (task_on_rq_queued(prev) || rq->skip_clock_update < 0)
update_rq_clock(rq);
next = pick_next_task(rq, prev); //根据调度算法，选择一个进程作为下一个执行的进程
clear_tsk_need_resched(prev);
clear_preempt_need_resched();
rq->skip_clock_update = 0;
if (likely(prev != next)) { //如果prev和next是不同进程
rq->nr_switches++; //队列切换次数更新
rq->curr = next;
++*switch_count; //进程切换次数更新
context_switch(rq, prev, next); /* unlocks the rq */ //进程上下文的切换
/*
* The context switch have flipped the stack from under us
* and restored the local variables which were saved when
* this task called schedule() in the past. prev == current
* is still correct, but it can be moved to another cpu/rq.
*/
cpu = smp_processor_id();
rq = cpu_rq(cpu);
} else //如果是同一个进程不需要切换
raw_spin_unlock_irq(&rq->lock);
post_schedule(rq);
sched_preempt_enable_no_resched();//开启抢占
if (need_resched())
goto need_resched;
}
context_switch(struct rq *rq, struct task_struct *prev, struct task_struct *next)在这个函数里，调用了 switch_to（）函数，我们看一下这个函数：
{
struct mm_struct *mm, *oldmm; //初始化进程地址管理结构体mm和oldmm
prepare_task_switch(rq, prev, next); //完成进程切换的准备工作
mm = next->mm;
oldmm = prev->active_mm; //之前的active_mm
//省略
switch_to(prev, next, prev); //切换
barrier();
/*
* this_rq must be evaluated again because prev may have moved
* CPUs since it called schedule(), thus the 'rq' on its stack
* frame will be invalid.
*/
finish_task_switch(this_rq(), prev); //完成一些清理，正确的释放锁
}
#define switch_to(prev, next, last) \switch_to是一个宏定义，完成进程从prev到next的切换。
do { \
/* \
* Context-switching clobbers all registers, so we clobber \
* them explicitly, via unused output variables. \
* (EAX and EBP is not listed because EBP is saved/restored \
* explicitly for wchan access and EAX is the return value of \
* __switch_to()) \
*/ \
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)
1、prev的值送入eax，next的值送入edx。
2、保护prev进程的eflags和ebp寄存器内容，这些内容保存在prev进程的内核堆栈中。
3、将prev的esp寄存器中的数据保存在prev->thread.esp中，即将prev进程的内核堆栈保存起来。
4、将next->thread.esp中的数据存入esp寄存器中，这是加载next进程的内核堆栈。
5、把标号1:的地址保存到prev->thread.ip中，然后把next->thread.ip压入next进程的内核堆栈中。（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）
6、跳转到__switch_to函数处执行。（这里不用call __switch_to而用jmp，因为call会导致自动把下面这句话的地址(也就是1:)压栈，然后__switch_to()就必然只能ret到这里，而无法根据需要ret到ret_from_fork ）
7、执行到这里，prev进程重新获得CPU，恢复prev进程的ebp和eflags内容。
8、将eax的内容存入last参数。
在这里使用到了金丝雀，__switch_canary是现代操作系统防止栈溢出攻击的金丝雀技术。
然后到此，进程的切换已经分析完了。
总结：
一、进程调度的时机
1、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()；
2、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；
3、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。
二、进程的切换
1、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；
2、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；
3、进程上下文包含了进程执行需要的所有信息
3.1、用户地址空间： 包括程序代码，数据，用户堆栈等
3.2、控制信息 ：进程描述符，内核堆栈等
3.3、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）
4、进程切换执行的流行
schedule() -> pick_next_task()->context_switch() -> switch_to -> __switch_to()
三、几种特殊情况
1、通过中断处理过程中的调度时机，用户态进程与内核线程之间互相切换和内核线程之间互相切换，与最一般的情况非常类似，只是内核线程运行过程中发生中断没有进程用户态和内核态的转换；
2、内核线程主动调用schedule()，只有进程上下文的切换，没有发生中断上下文的切换，与最一般的情况略简略；
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。（对应switch_to流程中的第6步，此时返回到ret_from_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。（对应switch_to流程中的第6步，此时静态链接返回到程序的start处，动态链接则返回到动态链接器处）
备注：
杨峻鹏 + 原创作品转载请注明出处 + 《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000