聊聊Linux操作系统对进程的调度

            程  序 原创作品转载请注明出处 《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

           什么是Linux操作系统&＃xff0c;Linux操作系统又是怎么控制计算机工作的&＃xff1f;这是新学操作系统的人常有的困惑。现在我们就来通过对Linux系统的进程调度的分析&＃xff0c;来聊聊操作系统是怎样控制程序的。

        首先来来了解一下Linux操作系统&＃xff1a;来自百度百科的解释是&＃xff1a;Linux是一套免费使用和自由传播的类Unix操作系统&＃xff0c;是一个基于POSIX和UNIX的多用户、多任务、支持多线程和多CPU的操作系统。它能运行主要的UNIX工具软件、应用程序和网络协议。它支持32位和64位硬件。Linux继承了Unix以网络为核心的设计思想&＃xff0c;是一个性能稳定的多用户网络操作系统①。

        按照我自己的理解就是&＃xff0c;操作系统相当于一个人类管家&＃xff0c;它本身不拥有计算机&＃xff0c;但是却可以帮助人类管理计算机。计算机主要由输入设备&＃xff08;比如键盘&＃xff09;&＃xff0c;数据传输&＃xff08;比如各种总线&＃xff09;&＃xff0c;数据处理&＃xff08;CPU&＃xff09;&＃xff0c;数据存储&＃xff08;内存、硬盘&＃xff09;&＃xff0c;输出设备&＃xff08;屏幕&＃xff09;等几个部分组成。当一个人购买了一台计算机后&＃xff0c;就拥有了这些物资&＃xff0c;那么如何利用这些物资&＃xff0c;怎么利用这些物资的效率最高&＃xff0c;这就是我们Linux操作系统干的事情了&＃xff08;当然有其他操作系统&＃xff09;&＃xff0c;而要控制这些物资&＃xff0c;其实是控制这些物资的使用对象。比如进程的调度就是通过控制使用资源的进程来进而控制计算机物资。

       下面我们来看一个简易的基于Linux系统的调度程序&＃xff0c;一起来分析一下Linux系统是怎么对进程实现调度的。其中涉及到三个文件mymain.c、myinterrupt.c、mypcb.h 。

注&＃xff1a;此三个文件的作者是孟宁老师&＃xff0c;本文仅在以上基础分析和修改。

       其中mypcb.h 是一个头文件&＃xff0c;其中定义了一个Thread结构体&＃xff0c;定义了一个PCB结构体和一个my_schedule()方法&＃xff1b;mymain.c是系统启动后执行文件&＃xff0c;其中的my_start_kernel&＃xff08;&＃xff09;函数是一个重要的函数&＃xff0c;将在系统硬件初始化完成进行执行&＃xff0c;主要进行进程初始化&＃xff0c;新进程的复制创建&＃xff0c;以及进程之间的调度。myinterrupt.c主要负责进程调度过程的现场保护和进程执行完毕后的现场恢复&＃xff0c;主要受中断控制。三个文件代码如下&＃xff1a;

/** linux/mykernel/mypcb.h** Kernel internal PCB types** Copyright (C) 2013 Mengning**/#define MAX_TASK_NUM 4
#define KERNEL_STACK_SIZE 1024*8/* CPU-specific state of this task */
struct Thread {unsigned long ip; //代表eipunsigned long sp; //代表esp
};typedef struct PCB{
int pid; //进程id
volatile long state; /* 进程状态 -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
char stack[KERNEL_STACK_SIZE]; //当前堆栈/* CPU-specific state of this task */ //struct Thread thread; // 进程unsigned long task_entry; // 函数入口struct PCB *next; // 进程用链表连起来
}tPCB;void my_schedule(void); //程序调度器


/** linux/mykernel/mymain.c** Kernel internal my_start_kernel** Copyright (C) 2013 Mengning**/#include #include #include #include #include #include "mypcb.h" //头文件tPCB task[MAX_TASK_NUM]; //task数组 tPCB * my_current_task &＃61; NULL; //当前任务指针volatile int my_need_sched &＃61; 0; //是否需要调度void my_process(void); //一个函数void __init my_start_kernel(void) //内核初始化{int pid &＃61; 0; //0号进程int i; ///* Initialize process 0*/task[pid].pid &＃61; pid; //将进程号放入task中task[pid].state &＃61; 0;/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */ 在运行task[pid].task_entry &＃61; task[pid].thread.ip &＃61; (unsigned long)my_process; //任务的入口task[pid].thread.sp &＃61; (unsigned long)&task[pid].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1]; //堆栈栈顶task[pid].next &＃61; &task[pid]; //next指向自己/*fork more process */for(i&＃61;1;ipid);if(my_need_sched &＃61;&＃61; 1){my_need_sched &＃61; 0;my_schedule();}printk(KERN_NOTICE "this is process %d &＃43;\n",my_current_task->pid);} }}


/* * linux/mykernel/myinterrupt.c** Kernel internal my_timer_handler** Copyright (C) 2013 Mengning**/#include #include #include #include #include #include "mypcb.h"extern tPCB task[MAX_TASK_NUM];extern tPCB * my_current_task;extern volatile int my_need_sched;volatile int time_count &＃61; 0;/** Called by timer interrupt.* it runs in the name of current running process,* so it use kernel stack of current running process*/void my_timer_handler(void){#if 1if(time_count%1000 &＃61;&＃61; 0 && my_need_sched !&＃61; 1){printk(KERN_NOTICE ">>>my_timer_handler here<<<\n");my_need_sched &＃61; 1;} time_count &＃43;&＃43; ; #endifreturn; }void my_schedule(void){tPCB * next;tPCB * prev;if(my_current_task &＃61;&＃61; NULL || my_current_task->next &＃61;&＃61; NULL){return;}printk(KERN_NOTICE ">>>my_schedule<<<\n");/* schedule */next &＃61; my_current_task->next;prev &＃61; my_current_task;if(next->state &＃61;&＃61; 0)/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */{my_current_task &＃61; next; printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid); /* switch to next process */asm volatile( "pushl %%ebp\n\t" /* save ebp */"movl %%esp,%0\n\t" /* save esp */"movl %2,%%esp\n\t" /* restore esp */"movl $1f,%1\n\t" /* save eip */ "pushl %3\n\t" "ret\n\t" /* restore eip */"1:\t" /* next process start here */"popl %%ebp\n\t": "&＃61;m" (prev->thread.sp),"&＃61;m" (prev->thread.ip): "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)); }else{next->state &＃61; 0;my_current_task &＃61; next;printk(KERN_NOTICE ">>>switch %d to %d<<<\n",prev->pid,next->pid);/* switch to new process */asm volatile( "pushl %%ebp\n\t" /* save ebp */"movl %%esp,%0\n\t" /* save esp */"movl %2,%%esp\n\t" /* restore esp */"movl %2,%%ebp\n\t" /* restore ebp */"movl $1f,%1\n\t" /* save eip */ "pushl %3\n\t" "ret\n\t" /* restore eip */: "&＃61;m" (prev->thread.sp),"&＃61;m" (prev->thread.ip): "m" (next->thread.sp),"m" (next->thread.ip)); } return; }

     下面是我对照上面代码进行的实验&＃xff0c;下面来看下实验结果

                                                                                   图1.由于Linux内核版本不同&＃xff0c;打入相应的补丁

                                                                                                 图2.打入补丁后重新进行内核编译

                                                                                                      图3.新建3个文件&＃xff0c;然后编译

                                                                                                  图4.为了使结果明显&＃xff0c;修改时间统计参数&＃xff0c;此处修改成100

                                                                                        图5.启动qemu加载内核

                                                                                       图6.打印出来的结果之一

                                                                                            图7&＃xff0c;打印出来的结果之二

           结果&＃xff0c;我们看到了里面共有4个进程不断的循环&＃xff0c;进程名分别叫0、1、2、3。

        总结&＃xff1a;linux采用一系列调度算法来调度整个系统&＃xff0c;这里只是简单的模仿了一下调度&＃xff0c;真实情况还需要考虑进程的优先级&＃xff0c;进程的执行时间等因素&＃xff0c;比这个要复杂很多。而linux正是凭借这样的调度算法来很好的利用计算机本身的资源。操作系统就是通过应用程序的进程id&＃xff0c;优先级等信息来实现调度。在调度开始时进行现场保存&＃xff0c;包括有关寄存器值得压栈保存等&＃xff0c;在调度结束后进行恢复现场&＃xff0c;然后继续执行。整个操作系统的运行流程就是这样&＃xff0c;一直不断循环&＃xff0c;直到关机。

        致谢&＃xff1a;感谢百度百科提供Linux操作系统的名词解释&＃xff0c;也感谢孟宁老师提供的进程调度简易源码。