张晓攀+原创作品转载请注明出处+《Linux内核分析》MOOC课程https://mooc.study.163.com/course/1000029000

实验八——理解进程调度时机跟踪分析进程调度与进程切换的过程

一、理解Linux系统中进程调度的时机

在 Linux 内核中，schedule() 函数是核心的进程调度机制。它的主要作用是实现进程切换，即选择下一个要运行的进程并将 CPU 控制权转移给它。以下是 schedule() 函数的主要功能和执行流程：

1. 基本功能

• 选择下一个进程：
  schedule() 根据调度策略（如完全公平调度器 CFS）从就绪队列中选出下一个要运行的进程。

• 切换上下文：
  如果选择的新进程与当前进程不同，schedule() 会调用 context_switch() 函数，保存当前进程的上下文（CPU 寄存器、程序计数器等）并恢复新进程的上下文。

2. 函数执行流程

• 检查当前进程状态：
  如果当前进程仍然可运行（TASK_RUNNING），它可能会重新被选中；否则，它会被放回等待队列。

• 调用调度策略：
  调度器（如 CFS）通过运行特定策略函数来确定下一个进程。CFS 通过一个红黑树数据结构管理就绪进程，选择“最小虚拟运行时间”的进程。

• 执行上下文切换：
  当下一个进程被选定后，schedule() 会调用 context_switch() 执行实际的进程切换，包括：

  • 保存当前进程的 CPU 上下文（栈指针、寄存器等）。
  • 加载新进程的上下文。
  • 切换到新进程的内核栈。

3. 调用时机

schedule() 通常在以下情况下被调用：

• 当前进程的时间片用完。
• 进程进入阻塞状态（如等待 I/O）。
• 主动调用（如通过yield() 或 sched_yield()）。
• 中断处理或内核函数需要切换到更高优先级进程。

4. 与调度策略的关系

schedule() 函数本身并不直接决定如何选取下一个进程，而是依赖于具体的调度策略模块（如 CFS、实时调度器）。这些策略定义了如何对进程进行排序和选择。

5. 关键性

schedule() 是整个内核调度的核心接口，对系统的多任务处理和资源分配起到至关重要的作用。它确保了各进程能够公平、高效地共享 CPU 资源。

二、使用 gdb 跟踪分析一个 schedule()函数

1.下载更新menu代码

2.重新制作文件系统并进入系统内核调试

3.设置断点进行调试

在内核函数schedule的入口处设置断点，接下来输入c继续执行，则系统即可停在该函数处，接下来我们就可以使用命令n或者s逐步跟踪，可以详细浏览pick_next_task，switch_to等函数的执行过程

schedule()函数和__schedule()函数：

context_switch()：

switch_to宏定义：

三、实验总结

进程调度和进程切换是 Linux 内核中多任务管理的核心，它们共同实现了多个进程在 CPU 上的交替执行。以下是两者的简要说明和执行过程：

1. 进程调度（Process Scheduling）

定义：
进程调度是从就绪队列中选择一个合适的进程来运行的过程。其目的是决定哪个进程可以使用 CPU。

调度流程：

1. 时间片用尽或阻塞：当前进程因时间片耗尽或等待资源而无法继续运行。
2. 调用调度函数：
   内核调用 schedule() 函数，选择下一个进程。
3. 选择下一个进程：
   根据调度策略（如 CFS）从就绪队列中挑选优先级最高或最符合策略的进程。

2. 进程切换（Context Switch）

定义：
进程切换是将 CPU 从当前进程转移到另一个进程的过程，涉及保存和恢复进程的运行环境（上下文）。

切换流程：

1. 保存当前进程的上下文：

   • 保存 CPU 寄存器、程序计数器（PC）、堆栈指针（SP）等信息到当前进程的 task_struct。
   • 确保当前进程可以在下次调度时从中断点继续运行。

2. 加载新进程的上下文：

   • 恢复新进程的 CPU 寄存器、程序计数器和堆栈指针。
   • 将 CPU 控制权转移给新进程。

3. 切换内核栈：

   • 每个进程都有自己独立的内核栈。
   • 切换过程中，需要将内核栈从当前进程切换到新进程的内核栈。

4. 返回用户态：

   • 当进程从内核态返回用户态时，新进程就开始在 CPU 上运行。

两者的关系

• 进程调度 是逻辑层面的选择：决定谁运行。
• 进程切换 是物理层面的执行：切换 CPU 的执行上下文。

它们共同确保了系统能够在多任务环境下高效、平衡地分配 CPU 资源。