进程的切换和系统的一般执行过程

末蓝、 2022-07-14 00:07 107阅读 0赞

**不同类型的进程有不同的调度需求**

第一种分类：

（1）I/O-bound

*  频繁的进行I/O
 *   通常会话费很多时间等待I/O操作完成

（2）CPU-bound

*   计算密集型
 *   需要大量的CPU时间进行运算

第二种分类：

（1）批处理进程

*   不必与用户交互，通常在后台运行
 *  不必很快响应
 *   典型的批处理程序：编译程序、科学计算

（2）实时进程

*   有实时需求，不必被低优先级的进程阻塞
 *   响应时间要短、要稳定
 *  典型实时进程：视频/音频、机械控制等

（3）交互式进程

*  需要经常与用户交互，因此要花很多时间等待用户输入操作
 *   相应时间要快，平均延迟要低于50-150ms
 *  典型的交互式进程：shell、文本编辑程序、图形应用程序等

### 进程调度算法 ###

（1）先进先出算法：

算法总是把处理机分配给最先进入就绪队列的进程，一个进程一旦分得处理机，便一直执行下去，直到该进程完成或阻塞时，才释放处理机。

（2）短进程优先

最短CPU运行期优先调度算法(SCBF--ShortestCPU Burst First)

该算法虽可获得较好的调度性能，但难以准确地知道下一个CPU执行期，而只能根据每一个进程的执行历史来预测。

（3）轮转法：

前几种算法主要用于批处理系统中，不能作为分时系统中的主调度算法，在分时系统中，都采用时间片轮转法。

简单轮转法：系统将所有就绪进程按FIFO规则排队，按一定的时间间隔把处理机分配给队列中的进程。这样，就绪队列中所有进程均可获得一个时间片的处理机而运行。

多级队列方法：将系统中所有进程分成若干类，每类为一级。

（4）多级反馈队列

多级反馈队列方式是在系统中设置多个就绪队列，并赋予各队列以不同的优先权。

Linux中进程的优先级是动态的，较长时间未分配到CPU的进程，优先级会升高；已经在CPU上运行了较长时间的进程，优先级会下降。

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### **进程的调度时机与进程的切换** ###

操作系统原理中介绍了大量进程调度算法，这些算法从实现的角度看仅仅是从运行队列中选择一个新进程，选择的过程中运用了不同的策略而已。

对于理解操作系统的工作机制，反而是进程的调度时机与进程的切换机制更为关键。

**进程调度的时机**

*    中断处理过程（包括时钟中断、I/O中断、系统调用和异常）中，直接调用schedule()，或者返回用户态时根据need\_resched标记调用schedule()；
 *  内核线程（特殊的进程，只有内核态没有用户态）可以直接调用schedule()进行进程切换，也可以在中断处理过程中进行调度，也就是说内核线程作为一类的特殊的进程可以主动调度，也可以被动调度；
 *   用户态进程无法实现主动调度，仅能通过陷入内核态后的某个时机点进行调度，即在中断处理过程中进行调度。

**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，只是由用户态转向内核态执行；

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只是保存的方法不同）

(3)  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);//进程调度算法都封装这个函数内部
 *   context\_switch(rq, prev, next);//进程上下文切换
 *   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

**Linux系统的一般执行过程**

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**最一般的情况：正在运行的用户态进程X切换到运行用户态进程Y的过程**

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1.      正在运行的用户态进程X

2.      发生中断——save cs:eip/esp/eflags(current) to kernel stack,then loadcs:eip(entry of a specific ISR) and ss:esp(point to kernel stack).

3.      SAVE\_ALL //保存现场

4.      中断处理过程中或中断返回前调用了schedule()，其中的switch\_to做了关键的进程上下文切换

5.      标号1之后开始运行用户态进程Y(这里Y曾经通过以上步骤被切换出去过因此可以从标号1继续执行)

6.      restore\_all //恢复现场

7.      iret - pop cs:eip/ss:esp/eflagsfrom kernel stack

8.      继续运行用户态进程Y

**几种特殊情况**

1.   通过中断处理过程中的调度时机，用户态进程与内核线程之间互相切换和内核线程之间互相切换，与最一般的情况非常类似，只是内核线程运行过程中发生中断没有进程用户态和内核态的转换；
2.   内核线程主动调用schedule()，只有进程上下文的切换，没有发生中断上下文的切换，与最一般的情况略简略；
3.   创建子进程的系统调用在子进程中的执行起点及返回用户态，如fork；
4.   加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况，如execve；