进程的切换和系统的一般执行过程
一、进程切换的关键代码switch_to分析
（一）进程调度与进程调度的时机分析
1、不同类型的进程有不同的调度需求
第一种分类：
（1）I/O-bound：频繁进行I/O,花费很多时间等待I/O操作的完成。
（2）CPU-bound：计算密集型，需要大量CPU时间进行计算。
第二种分类：
（1）批处理进程：不必交互、很快响应。
（2）实时进程：要求响应时间短。
（3）交互式进程（shell）。
2、调度策略：是一组规则，它们决定什么时候以怎样的方式选择一个新进程运行。
3、linux进程调度是基于分时和优先级的。
4、Linux的进程根据优先级排队。
5、Linux中进程的优先级是动态的。
6、内核中的调度算法相关代码使用了类似OOD中的策略模式。
7、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（只有内核态没有用户态的特殊进程）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，只能被动调度，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）进程上下文切换相关代码分析
1、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
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）
2、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
（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
3、schedule()中：
4、context_switch中：
5、switch_to中：
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 */ //保存当前进程的flags
43 "pushl %%ebp\n\t" /* save EBP */ //把当前进程的堆栈基址压栈
44 "movl %%esp,%[prev_sp]\n\t" /* save ESP */ //把当前的栈顶保存到prev->thread.sp
45 "movl %[next_sp],%%esp\n\t" /* restore ESP */ //把下一个进程的栈顶保存到esp中，这两句完成了内核堆栈的切换
46 "movl $1f,%[prev_ip]\n\t" /* save EIP */ //保存当前进程的EIP，可以从这恢复
47 "pushl %[next_ip]\n\t" /* restore EIP */ //把下一个进程的起点位置压到堆栈，就是next进程的栈顶。next_ip一般是$1f，对于新创建的子进程是ret_from_fork
//一般用return直接把next_ip pop出来
48 __switch_canary
49 "jmp __switch_to\n" /* regparm call */ //jmp通过寄存器传递参数，即后面的a,d。 函数__switch_to也有return把next_ip pop出来
50 "1:\t" //认为从这开始执行next进程（EIP角度），第一条指令是next_ip这个起点，但前面已经完成内核堆栈的切换，早就是next进程的内核堆栈（算prev进程，比较模糊）
51 "popl %%ebp\n\t" /* restore EBP */ //next进程曾经是prev进程，压栈过ebp
52 "popfl\n" /* restore flags */
53
54 /* output parameters */
55 : [prev_sp] "=m" (prev->thread.sp), //当前进程的，在中断内部，在内核态，sp是内核堆栈的栈顶
56 [prev_ip] "=m" (prev->thread.ip), //当前进程的EIP
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), //下一个进程的内核堆栈的栈顶
67 [next_ip] "m" (next->thread.ip), //下一个进程的执行起点
68
69 /* regparm parameters for __switch_to(): */
70 [prev] "a" (prev), //寄存器的传递
71 [next] "d" (next)
72
73 __switch_canary_iparam
74
75 : /* reloaded segment registers */
76 "memory");
77} while (0)
二、Linux系统的一般执行过程
（一）Linux系统的一般执行过程分析
1、Linux系统的一般执行过程
最一般的情况：正在运行的用户态进程X切换到运行用户态进程Y的过程
（1）正在运行的用户态进程X
（2）发生中断——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 //保存现场
（4）中断处理过程中或中断返回前调用了schedule()，其中的switch_to做了关键的进程上下文切换
（5）标号1之后开始运行用户态进程Y(这里Y曾经通过以上步骤被切换出去过因此可以从标号1继续执行)
（6）restore_all //恢复现场
（7）iret - pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack
（8）继续运行用户态进程Y
（二）Linux系统执行过程中的几个特殊情况
1、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；
（4）加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况，如execve；
三、Linux系统架构和执行过程概览
（一）Linux操作系统架构概览
（二）最简单也是最复杂的操作--执行ls命令
（三）从CPU和内存的角度看Linux系统的执行
1、CPU执行指令的角度：
2、内存的角度：
四、实验
1、环境搭建
cd LinuxKernel
rm menu -rf
git clone https://github.com/mengning/menu.git
cd menu
mv test_exec.c test.c
make rootfs
2、gdb调试
Qemu –kernel ../linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd ../rootfs.img -s -S
gdb
file ../linux-3.18.6/vmlinux
target remote:1234
3、设置断点
b schedule
b pick_next_task
b context_switch
b switch_to
五、总结
1、Linux进程调度是基于分时和优先级的。
2、Linux中，内核线程是只有内核态没有用户态的特殊进程。
3、内核可以看作各种中断处理过程和内核线程的集合。
4、Linux系统的一般执行过程 可以抽象成正在运行的用户态进程X切换到运行用户态进程Y的过程。
5、Linux中，内核线程可以主动调度，主动调度时不需要中断上下文的切换。
6、Linux内核调用schedule()函数进行调度，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。