Linux程序排程與程序切換

在這篇部落格裡，我們將分析在Linux中程序是如何排程和切換的。程序切換需要進行程序上下文進行排程，注意中斷也會有中斷上下文，這個跟程序上下文還有有一定區別的，中斷上下文，還是在同一個程序，不過程序上下文就是在不同程序了。下面，我們先看一下原始碼，分析一下流程。接著我們在做一下實驗，驗證一下確實是這樣走的。最後我們重點來分析一下程序下文切換的程式碼。

大概流程

通過前面幾周的分析，我們知道排程都需要呼叫schedule()函式，在這個函式裡面有很多不同的排程演算法啊，進行排程選擇，比如next = pick_next_task(rq, prev);就會根據某個排程演算法來選擇下一個準備排程到的程序。選擇一個後，我們要呼叫這個函式context_switch進行上下文的相關切換，在這個函式裡面，我們先呼叫prepare_task_switch進行任務切換的相關準備。接著，我們會呼叫switch_to函式，這個函式是進行暫存器狀態和堆疊的切換，這個函式很重要，我們第一週的作業的作業切換就是模仿這段寫的，後面，我們將會仔細分析這段程式碼。

實驗

下面，我們開始要gdb進行相關的除錯。
首先，像往常一樣，我們先make rootfs，然後開啟gdb，進行除錯。如下圖：

接著，我們在下面幾個地方加幾個斷點，如下圖。

再接著，我們執行，一步步進行相關的函式，如下圖。

switch_to程式碼分析

下面，我們就來分析一下switch_to這段內斂彙編程式碼。程式碼如下：

    asm volatile("pushfl\n\t"       /* save    flags */ \
43           "pushl %%ebp\n\t"      /* save    EBP   */ \
 

44           "movl %%esp,%[prev_sp]\n\t"    /* save    ESP   */ \
45           "movl %[next_sp],%%esp\n\t"    /* restore ESP   */ \
46           "movl $1f,%[prev_ip]\n\t" /* save    EIP   */ \
47           "pushl %[next_ip]\n\t" /* restore EIP   */ \
48           __switch_canary                    \
49           "jmp __switch_to\n
 
"    /* regparm call  */ \
50           "1:\t"                     \
51           "popl %%ebp\n\t"       /* restore EBP   */ \
52           "popfl\n"          /* restore flags */ \
53                                  \
54           /* output parameters */                \
55           : [prev_sp] "=m" (prev->thread.sp),        \
56             [prev_ip] "=m" (prev->thread.ip),        \
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),        \
67             [next_ip]  "m" (next->thread.ip),        \
68                                      \
69             /* regparm parameters for __switch_to(): */  \
70             [prev]     "a" (prev),               \
71             [next]     "d" (next)                \
72                                  \
73             __switch_canary_iparam               \
74                                  \
75           : /* reloaded segment registers */         \
76          "memory");                  \

首先儲存當前程序的flags，ebp和棧指標esp到當前的棧裡，接著切換到下一個程序的核心棧，儲存當前的eip，因為這個當前程序當再次被排程到時，就會從這裡開始執行。接著，恢復eip，然後eip就會指向標示1f這個位置，恢復ebp，恢復flags，總之這段程式碼和我們第一週所看的那段程式碼很相似，功能也差不多，就是程序切換。

總結

程序排程和程序切換是現代作業系統中非常重要的一個概念，如果沒有程序切換和排程，那麼系統就會退化到單道處理系統。正因為有了程序切換，才大大提高了cpu的效率，減少了cpu的空閒時間，充分了挖掘了cpu的潛力，提高了計算機的吞吐率