20179223《Linux内核原理与分析》第九周学习笔记

Posted 2020-10-15 9223刘霄

视频学习

进程调度与进程调度的时机分析

不同类型的进程有不同的调度需求

第一种分类：
——I/O-bound：1.频繁的进行I/O；2.通常会花费很多时间等待I/O操作的完成
——CPU-bound：1.计算密集型；2.需要大量的CPU时间进行计算

第二种分类：
——批处理进程：1.不必与用户交互，通常在后台运行；2.不必很快响应；3.典型的批处理程序：编译程序、科学计算
——实时进程：1.有实时需求，不应被低优先级的进程阻塞；2.响应时间要短、要稳定；3.典型的实时进程：视频/音频、机械控制等
——交互式进程：1.需要经常与用户交互，因此要花很多时间等待用户输入操作；2.响应时间要快，平均延迟要低于50~150ms；3.典型的交互式程序：shell、文本编辑程序、图形应用程序等

Linux既支持普通的分时进程，也支持实时进程。

Linux中的调度是多种调度策略和调度算法的混合。

什么是调度策略？
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。

Linux的调度基于分时和优先级
--随着版本的变化，分时技术在不断变化

Linux的进程根据优先级排队
——根据特定的算法计算出进程的优先级，用一个值表示
——这个值表示把进程如何适当的分配给CPU

Linux中进程的优先级是动态的
——调度程序会根据进程的行为周期性的调整进程的优先级：1.较长时间未分配到CPU的进程，通常↑；2.已经在CPU上运行了较长时间的进程，通常↓。

schedule函数
schedule函数实现调度
目的：在运行队列中找到一个进程，把CPU分配给它
调用方法：1.直接调用schedule()；2.松散调用，根据need_resched标记

进度调度时机
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

进程上下文切换相关代码分析

进程切换
——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）

——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进行关键上下文的切换

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

Linux系统的一般执行过程分析

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.中断处理过程或中断返回前调用了schedule()，其中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继续进行）
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

Linux系统执行过程中的几个特殊情况

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相似，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.加载一个进的可执行程序后返回到用户态的情况，如execve

内核与舞女

内核是各种中断处理过程和内核线程的集合

Linux操作系统架构概览

任何计算机系统都包含一个基本的程序集合，称为操作系统。
——内核（进程管理，进程调度，进程间通讯机制，内存管理，中断异常处理，文件系统，I/O系统，网络部分）
——其他程序（例如函数库、shell程序、系统程序等等）

操作系统的目的
——与硬件交互，管理所有的硬件资源
——与用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境

实验

$ cd LinuxKernel
$ rm -rf menu
$ git clone http://github.com/mengning/menu.git
$ cd menu

修改menu目录下的test.c文件，把上节课自己写的系统调用代码加进去，做成两个菜单命令，跟之前的实验一样
然后make rootfs进行编译

使用qumu命令重新启动内核并使用-s和-S参数“冻结”系统执行，命令如下：

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

此时为了使用gdb进行调试，需要水平分割一个窗口，输入如下命令：

 gdb
 file ..//linux-3.18.6/vmlinux
 target remote:1234

使用gdb跟踪schedule()函数，设置断点


继续执行，如图所示

找下个运行的进程

schedule()函数内部判断是否需要进行上下文切换的语句。context_switch()进程上下文切换。

课本第15、16章学习

进程地址空间

进程地址空间是指用户空间中进程的内存，是每个用户空间进程所看到的内存。Linux采用虚拟内存技术，进程之间以虚拟的方式共享内存，每个进程好像都可以访问整个系统的所有物理内存。
进程地址空间由进程可寻址的虚拟内存组成。可以被访问的合法地址空间称为内存区域，进程只能访问有效内存区域内的内存地址。访问了不在有效范围内的内存区域或者以不正确的方式访问了有效地址的进程会被内存终止，并返回“段错误”信息。

内存区域包含各种内存对象：

代码段，即可执行文件代码的内存映射。
数据段，即可执行文件的已初始化全局变量的内存映射。
包含未初始化全局变量即bss段的零页的内存映射。
用于进程用户空间栈的零页的内存映射。
每一个诸如C库或动态链接程序等共享库的代码段、数据段和bss段也会被载入进程的地址空间。
任何内存映射文件。
任何共享内存段。
任何匿名的内存映射，如malloc分配的内存。

页高速缓存和页回写

写缓存有三种策略：

1.不缓存，高速缓存不缓存任何写操作，跳过缓存写到磁盘上，同时使缓存中数据失效。
2.写透缓存，自动更新内存缓存，同时也更新磁盘文件。
3.“回写”，写操作直接写到缓存中，后端存储不会立刻直接更新，将页高速缓存中被写入的页面标记成“脏”，由回写进程将脏页写回磁盘。（Flusher内核线程负责）