Linux 进程管理之进程调度与切换

我们知道，进程运行需要各种各样的系统资源，如内存、文件、打印机和最

宝贵的 CPU 等，所以说，调度的实质就是资源的分配。系统通过不同的调度算法（Scheduling Algorithm）来实现这种资源的分配。通常来说，选择什么样的调度算法取决于资源分配的策略（Scheduling Policy）。

有关调度相关的结构保存在 task_struct 中，如下：

active_mm 是为内核线程而引入的，因为内核线程没有自己的地址空间，为了让内核线程与普通进程具有统一的上下文切换方式，当内核线程进行上下文切换时，让切换进来的线程的 active_mm 指向刚被调度出去的进程的 active_mm（如果进程的mm 域不为空，则其 active_mm 域与 mm 域相同）。

在 linux 2.6 中 sched_class 表示该进程所属的调度器类有3种：

进程的调度策略有5种，用户可以调用调度器里不同的调度策略：

在每个 CPU 中都有一个自身的运行队列 rq，每个活动进程只出现在一个运行队列中，在多个 CPU 上同时运行一个进程是不可能的。

运行队列是使用如下结构实现的：

tast 作为调度实体加入到 CPU 中的调度队列中。

系统中所有的运行队列都在 runqueues 数组中，该数组的每个元素分别对应于系统中的一个 CPU。在单处理器系统中，由于只需要一个就绪队列，因此数组只有一个元素。

内核也定义了一下便利的宏，其含义很明显。

Linux、c/c++服务器开发篇-------我们来聊聊进程的那些事

Linux内核 进程间通信组件的实现

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在分析调度流程之前，我们先来看在什么情况下要执行调度程序，我们把这种情况叫做调度时机。

Linux 调度时机主要有。

时机1，进程要调用 sleep() 或 exit() 等函数进行状态转换，这些函数会主动调用调度程序进行进程调度。

时机2，由于进程的时间片是由时钟中断来更新的，因此，这种情况和时机4 是一样的。

时机3，当设备驱动程序执行长而重复的任务时，直接调用调度程序。在每次反复循环中，驱动程序都检查 need_resched 的值，如果必要，则调用调度程序 schedule() 主动放弃 CPU。

时机4 ， 如前所述， 不管是从中断、异常还是系统调用返回， 最终都调用 ret_from_sys_call()，由这个函数进行调度标志的检测，如果必要，则调用调用调度程序。那么，为什么从系统调用返回时要调用调度程序呢？这当然是从效率考虑。从系统调用返回意味着要离开内核态而返回到用户态，而状态的转换要花费一定的时间，因此，在返回到用户态前，系统把在内核态该处理的事全部做完。

Linux 的调度程序是一个叫 Schedule() 的函数，这个函数来决定是否要进行进程的切换，如果要切换的话，切换到哪个进程等。

从代码分析来看，Schedule 主要完成了2个功能：

进程上下文切换包括进程的地址空间的切换和执行环境的切换。

对于 switch_mm 处理，关键的一步就是它将新进程页面目录的起始物理地址装入到寄存器 CR3 中。CR3 寄存器总是指向当前进程的页面目录。

switch_to 把寄存器中的值比如esp等存放到进程thread结构中，保存现场一边后续恢复，同时调用 __switch_to 完成了堆栈的切换。

在进程的 task_struct 结构中有个重要的成分 thread，它本身是一个数据结构 thread_struct, 里面记录着进程在切换时的（系统空间）堆栈指针，取指令地址（也就是“返回地址”）等关键性的信息。

关于__switch_to 的工作就是处理 TSS （任务状态段）。

TSS 全称task state segment，是指在 *** 作系统进程管理的过程中，任务（进程）切换时的任务现场信息。

linux 为每一个 CPU 提供一个 TSS 段，并且在 TR 寄存器中保存该段。

linux 中之所以为每一个 CPU 提供一个 TSS 段，而不是为每个进程提供一个TSS 段，主要原因是 TR 寄存器永远指向它，在任务切换的适合不必切换 TR 寄存器，从而减小开销。

在从用户态切换到内核态时，可以通过获取 TSS 段中的 esp0 来获取当前进程的内核栈 栈顶指针，从而可以保存用户态的 cs,esp,eip 等上下文。

TSS 在任务切换过程中起着重要作用，通过它实现任务的挂起和恢复。所谓任务切换是指，挂起当前正在执行的任务，恢复或启动另一任务的执行。

在任务切换过程中，首先，处理器中各寄存器的当前值被自动保存到 TR（任务寄存器）所指定的任务的 TSS 中；然后，下一任务的 TSS 被装入 TR；最后，从 TR 所指定的 TSS 中取出各寄存器的值送到处理器的各寄存器中。由此可见，通过在 TSS 中保存任务现场各寄存器状态的完整映象，实现任务的切换。

因此，__switch_to 核心内容就是将 TSS 中的内核空间（0级）堆栈指针换成 next->esp0。这是因为 CPU 在穿越中断门或者陷阱门时要根据新的运行级别从TSS中取得进程在系统空间的堆栈指针。

thread_struct.esp0 指向进程的系统空间堆栈的顶端。当一个进程被调度运行时，内核会将这个变量写入 TSS 的 esp0 字段，表示这个进程进入0级运行时其堆栈的位置。换句话说，进程的 thread_struct 结构中的 esp0 保存着其系统空间堆栈指针。当进程穿过中断门、陷阱门或者调用门进入系统空间时，处理器会从这里恢复期系统空间栈。

由于栈中变量的访问依赖的是段、页、和 esp、ebp 等这些寄存器，所以当段、页、寄存器切换完以后，栈中的变量就可以被访问了。

因此 switch_to 完成了进程堆栈的切换，由于被切进的进程各个寄存器的信息已完成切换，因此 next 进程得以执行指令运行。

由于 A 进程在调用 switch_to 完成了与 B 进程堆栈的切换，也即是寄存器中的值都是 B 的，所以 A 进程在 switch_to 执行完后，A停止运行，B开始运行，当过一段时间又把 A 进程切进去后，A 开始从switch_to 后面的代码开始执行。

schedule 的调用流程如下：

在Linux的多目录命令提示符中工作是一种痛苦的事情，但以下这些利用cd和pushd切换目录的技巧有助于你节省时间和精力 。

在Linux命令提示中，用cd命令来改变当前目录。这是cd命令的一些基本用法：

改变你的根路径，键入cd，按回车键。

进入一个子目录，键入cd，空格，然后是子路径名(例如：cd Documents)，再按回车键。

进入当前目录的上一级目录，键入cd，空格，两个点，然后按回车键。

进入一个特定的目录，键入cd，空格，路径名(例如 cd /usr/local/lib)，再按回车键。

为了确定你所在的目录，你可以键入pwd，按回车键，你将看到你所在的当前目录名称。

用pushd实现在不同目录间切换。

在命令行模式下，当你工作在不同目录中，你将发现你有很多时间都浪费在重复输入上。如果这些目录不在同一个根目录中，你不得不在转换时输入完整的路径名，这难免让人有些难以忍受。但你可以用以下的一个或两个步骤来避免所有多余的输入：用命令行解释器中的历史记录，或者用命令行函数pushd。

用命令行解释器中的历史记录的好处是只需按很少的键。在命令行中用向上的箭头来查找你用过的命令，直到你找到，然后按回车键。如果你所切换的两个目录在整个驱动器的子目录结构中很接近，那用解释器中的历史记录可能是你最好的选择。

然而，如果你在两个截然不同的路径间转换的话，你可能很希望利用pushd这个函数，你可以用它创建一个目录堆栈(在内存中的一个列表)。

注释：缺省情况下，pushd函数可能不包括在你的Linux中；但它包涵在Red Hat和用Red Hat驱动的系统中。如果你的系统中没有pushd函数，你可以在ibiblio.org网站上下载相关的函数工具。

这里说一下怎么用pushd。假设你现在工作在/usr/share/fonts目录下。你需要对/usr/share/fonts做一些改动，你将频繁的在两个目录间切换。开始在一个目录下，用pushd函数切换到另一个目录。在我们的例子中，开始在/usr/share/fonts下，你键入pushd/opt/wonderword/fonts，然后按回车键。现在，你将在下一行看到堆栈中的内容：/opt/wonderword/fonts /usr/share/fonts。

正如你所看到的，当你键入pushd和一个路径名时，将自动产生一个堆栈，内容是你键入的目录名和你当前工作的目录名。在我们的例子中，你所键入的路径(/opt/wonderword/fonts)在堆栈的顶部。

快速返回上一级目录，你可以直接键入pushd，如果不跟路径名，你将返回到堆栈中前一个目录的上一层目录。

如果你需要从堆栈中删除一个目录，键入popd，然后是目录名称，再按回车键。想查看堆栈中目录列表，键入dirs，然后按回车键。popd和dirs命令也是常用函数中的一部分。

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