理解进程调度时机跟踪分析进程调度与进程切换的过程

实验过程

任务一

• 理解 Linux 系统中进程调度的时机，可以在内核代码中搜索 schedule()函数，看都是哪里调用了 schedule()；

使用 grep 命令： 在内核源码的根目录运行以下命令：

grep -rnw "schedule()"

分析调用时机：

schedule() 常在以下场景中被调用：

进程需要主动放弃 CPU：

进程进入等待状态（如阻塞在某个资源上）。
通常通过调用 schedule() 主动放弃 CPU 使用权。
例如：在等待锁或信号量时。

系统中断或上下文切换：

在硬件中断或软件中断处理完成后，需要切换到其他进程。
典型场景：时钟中断触发调度。

内核等待事件：

内核中的某些子系统等待某个条件（如 I/O 操作完成），会调用 schedule()。
通常伴随 wait_event() 或 wait_queue()。

预定义的调度点：

某些代码路径明确指定需要触发调度，例如 mutex_lock()、cond_resched()。

关键调用点的说明

以下是一些常见的 schedule() 调用点及其意义：

• 锁等待：mutex_lock() 或 spin_lock()： 如果资源已被锁定，当前进程需要调用 schedule() 进入等待队列，直到资源可用。
• 阻塞等待：wait_event()： 如果某个条件未满足，调用 schedule() 挂起当前进程，直到条件满足。
• 内核抢占：cond_resched()： 用于主动触发调度，确保长时间运行的任务不会占用 CPU 太久。
• 睡眠：msleep() 或 schedule_timeout()： 当前进程主动进入睡眠状态。

分析源码

例如，在 kernel/sched/core.c 中找到 schedule() 函数的实现：

asmlinkage __visible void __sched schedule(void)
{
    struct task_struct *tsk = current;

    sched_submit_work(tsk);
    ...
    pick_next_task();
    ...
}
//该函数的主要作用是将当前任务标记为非运行状态，并选择下一个可运行任务。

任务二

• 使用 gdb 跟踪分析一个 schedule()函数 ，验证您对 Linux 系统进程调度与进程切换过程的理解；

qemu-system-x86_64 -kernel ./linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -append "console=ttyS0" -s -S

schedule()函数和__schedule()函数：

context_switch()：

switch_to宏定义：

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。

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，只是用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

用户地址空间：包括程序代码，数据，用户堆栈等

控制信息：进程描述符，内核堆栈等

硬件上下文（注意中断也要保存硬件上下文知识保存的方法不同）

（4）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);

context_switch(rq, prev, next);

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