Linux0.11内核--进程的调度(就绪态和运行态之间的转换)
进程的调度
linux系统中,一个进程有5种可能状态,在sched.c第19行处定义了状态的标识:
#define TASK_RUNNING 0 // 正在运行或可被运行状态
#define TASK_INTERRUPTIBLE 1 // 可被中断睡眠状态
#define TASK_UNINTERRUPTIBLE 2 // 不可中断睡眠状态
#define TASK_ZOMBIE 3 // 僵死状态
#define TASK_STOPPED 4 // 停止状态
各种状态的转换图如下:
就绪态和运行态之间的转换
当前占用CPU的进程调只有用了schedule()函数后,才可能会从运行态进入就绪态。Schedule()函数按照一定的选择策略选中处于TASK_RUNNING态(包括用户运行态,内核运行态和就绪态)的某个进程,然后切换到该进程去执行。这时被选中的进程进入运行态,开始使用CPU资源。被选中的进程可能是刚刚调用schedule()函数的进程,也可能是其他进程。
schedule()函数在3种情况下会被调用
用户态时发生了时钟中断;
系统调用时相应的sys_XXXX函数返回后;
睡眠函数内;
第一种情况发生在用户态。当时钟中断产生时,如果进程运行在用户态时并且时间片用完,中断处理函数do_timer()会调用schedule()函数,这相当于用户态的运行被抢断了。如果进程处在内核态时发生时钟中断,do_timer()不会调用schedule()函数,也就是内核态是不能被抢断的。当一个进程运行在内核态,除非它自愿调用schedule()函数而放弃CPU的使用权,它将永远占用CPU。由于schedule()不是系统调用,用户程序不能调用,所以在时钟中断中调用schedule()是必要的,这样保证用户态的程序不会独占CPU。
第二种情况就是为了对付运行在内核态的进程。应用程序一般通过系统调用进入内核态,因此linux 0.11在系统调用处理函数(sys_XXXX())结束后,int 0x80处理函数会检查当前进程的时间片和状态,如果时间片用完或状态不是TASK_RUNNING,会调用schedule()函数。这时相当于内核态进程主动放弃对对CPU的占用。由此可见,如果某个系统调用处理函数或者中断异常处理函数永远不退出,比如进入死循环或者等待其他资源,整个系统死锁,任何进程都无法运行。
比较前两种情况,我们看到linux有保证用户态的程序不独占CPU的机制,却不能保证内核态程序不独占CPU。这也反映了系统级别开发和用户级别开发的不同之处。系统程序员需要考虑更多的问题。
第三种情况在下面一节运行态(包括就绪态)和睡眠态之间的转换中讨论。当进程等待的资源还不可用时,它进入睡眠态,并且调用schedule()让出CPU。
switch_to() (sched.h 第173行)
- /****************************************************************************/
- /* 功能:切换到任务号(即task[]数组下标)为n的任务 */
- /* 参数:n 任务号 */
- /* 返回:(无) */
- /****************************************************************************/
- // 整个宏定义利用ljmp指令跳转到TSS段选择符来实现任务切换
- #define switch_to(n) {/
- // __tmp用来构造ljmp的操作数。该操作数由4字节偏移和2字节选择符组成。当选择符
- // 是TSS选择符时,指令忽略4字节偏移。
- // __tmp.a存放的是偏移,__tmp.b的低2字节存放TSS选择符。高两字节为0。
- // ljmp跳转到TSS段选择符会造成任务切换到TSS选择符对应的进程。
- // ljmp指令格式是 ljmp 16位段选择符:32位偏移,但如果操作数在内存中,顺序正好相反。
- // %0 内存地址 __tmp.a的地址,用来放偏移
- // %1 内存地址 __tmp.b的地址,用来放TSS选择符
- // %2 edx 任务号为n的TSS选择符
- // %3 ecx task[n]
- struct {long a,b;} __tmp; /
- __asm__("cmpl %%ecx,current/n/t" / // 如果要切换的任务是当前任务
- "je 1f/n/t" / // 直接退出
- "movw %%dx,%1/n/t" / // 把TSS选择符放入__tmp.b中
- "xchgl %%ecx,current/n/t" / // 让current指向新进程的task_struct
- "ljmp *%0/n/t" / // 任务切换在这里发生,CPU会搞定一切
- "cmpl %%ecx,last_task_used_math/n/t" / // 除进程第一次被调度外,以后进程从就绪
- // 态返回运行态后,都从这里开始运行。因
- // 而返回到的是内核运行态。
- "jne 1f/n/t" /
- "clts/n" /
- "1:" /
- ::"m" (*&__tmp.a),"m" (*&__tmp.b), /
- "d" (_TSS(n)),"c" ((long) task[n])); /
- }
schedule()(sched.c 第104行)
- /****************************************************************************/
- /* 功能:进程调度。 */
- /* 先对alarm和信号进行处理,如果某个进程处于可中断睡眠状态,并且收 */
- /* 到信号,则把进程状态改成可运行。之后在处可运行状态的进程中挑选一个 */
- /* 并用switch_to()切换到那个进程 */
- /* 参数:(无) */
- /* 返回:(无) */
- /****************************************************************************/
- void schedule(void)
- {
- int i,next,c;
- struct task_struct ** p;
- /* check alarm, wake up any interruptible tasks that have got a signal */
- // 首先处理alarm信号,唤醒所有收到信号的可中断睡眠进程
- for(p = &LAST_TASK ; p > &FIRST_TASK ; --p)
- if (*p) {
- // 如果进程设置了alarm,并且alarm已经到时间了
- if ((*p)->alarm && (*p)->alarm < jiffies) {
- // 向该进程发送SIGALRM信号
- (*p)->signal |= (1<<(SIGALRM-1));
- (*p)->alarm = 0; // 清除alarm
- }
- //可屏蔽信号位图BLOCKABLE定义在sched.c第24行,(~(_S(SIGKILL) | _S(SIGSTOP)))
- // 说明SIGKILL和SIGSTOP是不能被屏蔽的。
- // 可屏蔽信号位图 & 当前进程屏蔽的信号位图 = 当前进程实际屏蔽的信号位图
- // 当前进程收到的信号位图 & ~当前进程实际屏蔽的信号位图
- // = 当前进程收到的允许相应的信号位图
- // 如果当前进程收到允许相应的信号,并且当前进程处于可中断睡眠态
- // 则把状态改成运行态,参与下面的选择过程
- if (((*p)->signal & ~(_BLOCKABLE & (*p)->blocked)) &&
- (*p)->state==TASK_INTERRUPTIBLE)
- (*p)->state=TASK_RUNNING;
- }
- /* this is the scheduler proper: */
- // 下面是进程调度的主要部分
- while (1) {
- c = -1;
- next = 0;
- i = NR_TASKS;
- p = &task[NR_TASKS];
- while (--i) { // 遍历整个task[]数组
- if (!*--p) // 跳过task[]中的空项
- continue;
- // 寻找剩余时间片最长的可运行进程,
- // c记录目前找到的最长时间片
- // next记录目前最长时间片进程的任务号
- if ((*p)->state == TASK_RUNNING && (*p)->counter > c)
- c = (*p)->counter, next = i;
- }
- // 如果有进程时间片没有用完c一定大于0。这时退出循环,执行 switch_to任务切换
- if (c) break;
- // 到这里说明所有可运行进程的时间片都用完了,则利用任务优先级重新分配时间片。
- // 这里需要重新设置所有任务的时间片,而不光是可运行任务的时间片。
- // 利用公式:counter = counter/2 + priority
- for(p = &LAST_TASK ; p > &FIRST_TASK ; --p)
- if (*p)
- (*p)->counter = ((*p)->counter >> 1) +
- (*p)->priority;
- // 整个设置时间片过程结束后,重新进入进程选择过程
- }
- // 当的上面的循环退出时,说明找到了可以切换的任务
- switch_to(next);
- }
当前进程只有调用了schedule()后才能发生进程切换,因此当进程再次被选中执行后,都是从switch_to()中ljmp后一条语句开始执行,即从"cmpl %%ecx,last_task_used_math/n/t"语句继续,这时进程位于内核态。因此进程从就绪态进入的都是内核运行态。但有一个例外,进程产生后第一次被调度执行。
fork()产生的子进程会把父进程原cs、原eip当作初始的cs、eip,所以子进程刚刚创建时处于用户态。第一次进程被调度时,从就绪态进入的是用户运行态。以后进入的都是内核运行态。
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