作业要求

阅读学习教材「庖丁解牛Linux 操作系统分析 」第9章，有问题优先使用chatgpt等AI工具。或者到蓝墨云班课中提问，24小时内回复，鼓励解答别人问题，提问前请阅读「如何提问」。

教材深入学习关注豆列「Linux内核及安全」。

学习蓝墨云班课中第九周视频「Linux系统架构和执行过程概览」，并完成实验楼上配套实验八。，注意从下往上看。基于树莓派或其他平台完成ARM相关内容。

作业标题 “学号《Linux内核原理与分析》第X周作业”，重点是遇到的问题和解决方案内容涵盖教材学习和视频，提交格式用Markdown，同时提交转换的 PDF（VSCode 有相关插件）。

实验八：理解进程调度时机跟踪分析进程调度与进程切换的过程

根据本周所学知识分析并理解 Linux 中进程调度与进程切换过程
1、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()，判断我们课程内容中的总结是否准确；
2、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；推荐在实验楼 Linux 虚拟机环境下完成实验。
3、特别关注并仔细分析 switch_to 中的汇编代码，理解进程上下文的切换机制，以及与中断上下文切换的关系；

1、理解 Linux 系统中进程调度的时机

在Linux 系统中搜索schedule()函数，有如下操作：

（1）使用 grep 命令，在指定的内核源代码路径中递归搜索包含 “schedule(” 字符串的文件：

grep -r "schedule(" /path/to/kernel/source

//这里的/path/to/kernel/source是你的内核文件路径

（2）使用 find 和 grep 命令，在指定的内核源代码路径中递归搜索所有 .c 文件，并查找包含 “schedule(” 的行：

find /path/to/kernel/source -name "*.c" -exec grep -H "schedule(" {} \;

（3）使用 ctags 和 grep 命令，ctags 工具可以生成一个标签文件，然后可以使用 grep 在该文件中搜索 schedule(：

ctags -R /path/to/kernel/source
grep -n "schedule(" tags

这里使用grep进行查找展示：

grep -r "schedule()" /home/shiyanlou/LinuxKernel/linux-3.9.4/kernel

分析并结合云班课内容，得知进程调度的时机如下：

1>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()。
2>内核线程可以直接调用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
3>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。

进程切换如下：

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，即进程上下文切换。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。

其中，linux系统执行过程中的几个特殊情况如下：

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>用户态进程不能主动调度schedule()，但内核线程可以主动调用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，那么不从标号1开始执行，从用户态开始执行，next ip=ret from work，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。

2、使用 gdb 跟踪分析一个 schedule()函数

（1）基础搭建部分

先完成以下代码，实现test.c文件的更换，即换成test_exec.c

cd LinuxeKernel
rm -rf menu
git clone https://github.com/mengning/menu.git
cd menu
mv test_exec.c test.c
make rootfs

打开一个冻结内核，再打开一个shell进行gdb分析调试

cd LinuxKernel   
qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -s -S  //冻结内核的启动

新打开一个空shell，进入gdb调试，并建立连接：

cd LinuxKernel 
gdb
(gdb)file linux-3.18.6/vmlinux
(gdb)target remote:1234

基础部分搭建完成，然后开始gdb分析schedule()函数

2、gdb调试部分

分别在schedule（进程调度的主体函数）context_switch（实现进程切换的函数）pick_next_task（负责根据调度策略和调度算法选择下一个进程）三处设置断点，而switch_to为宏定义，不能设置断点，需到context_switch函数中单步执行查看调用。
即

b schedule
b context_switch
b pick_next_task

下面进行分析：

由于switch_to不能设置断点，需要进行汇编级代码的分析。

3、分析 switch_to 中的汇编代码，理解进程上下文的切换机制和中断上下文切换的关系

汇编代码及分析如下：

asm volatile(
             "pushfl\n\t"  //保存当前进程flags
             "pushl %%ebp\n\t"  //当前进程堆栈基址压栈
             "movl %%esp,%[prev_sp]\n\t"  //保存ESP，将当前堆栈栈顶保存起来
             "movl %[next_sp],%%esp\n\t"  //更新ESP，将下一栈顶保存到ESP中
                     // 完成内核堆栈的切换
             "movl $1f,%[prev_ip]\n\t"    //保存当前进程的EIP
             "pushl %[next_ip]\n\t"       //将next进程起点压入堆栈，即next进程的栈顶为起点
             __switch_canary              //next_ip一般为$1f，对于新创建的子进程是ret_from_fork      
             "jmp __switch_to\n"    //prve进程中，设置next进程堆栈，jmp与call不同，是通过寄存器传递参数（call通过堆栈），所以ret时弹出的是之前压入栈顶的next进程起点
             //完成EIP的切换
             "1:\t"            //next进程开始执行       
             "popl %%ebp\n\t"  //restore EBP
             "popfl\n"         //restore flags

             //输出量
             : [prev_sp] "=m" (prev->thread.sp),   //保存当前进程的esp
               [prev_ip] "=m" (prev->thread.ip),     //保存当前进仓的eip
               "=a" (last),

               //要破坏的寄存器
               "=b" (ebx), "=c" (ecx), "=d" (edx),
               "=S" (esi), "=D" (edi)

               __switch_canary_oparam

              //输入量
             : [next_sp]  "m" (next->thread.sp),   //next进程的内核堆栈栈顶地址，即esp
               [next_ip]  "m" (next->thread.ip),     //next进程的eip

               // regparm parameters for __switch_to(): 
               [prev]     "a" (prev),
               [next]     "d" (next)

               __switch_canary_iparam

             : //重新加载段寄存器
            "memory");

整个过程中，涉及了堆栈的切换、指令指针的切换，以及寄存器的保存和加载。
进程上下文切换的核心机制，包含堆栈切换、指令指针切换，以及寄存器的保存与加载 ， 这些操作共同保障了进程间切换时的执行连续性与正确性。
它与中断上下文切换的关联之处在于，二者均需通过保存和加载寄存器的操作，实现上下文的无缝衔接，确保切换前后的执行状态不被破坏。

4、使用AI答疑