高级操作系统实验2-进程调度与切换分析（1）

实验目的：掌握linux进程调度的工作原理和实现方式，提高内核调度技术。

实验内容：编一个程序在3个进程中分别循环输出字母A/B/C，每输出一个字母就主动放弃CPU；然后通过对内核的调度，画出3个进程运行的详细时序图和概要时序图，时序图的时间范围涵盖上述字母至少2个（可以相同），要求在详细的时序图中标注下列控制点信息：

调度的开始及原因和结束、进程切换的开始；

中断处理的开始和结束、软中断处理的开始和结束；

系统调用的开始及系统调用号和结束；

缺页等异常的开始和结束

增加和删除CFS运行队列中的节点的时刻

更新当前进程的vruntime的时刻

准备由核心态进入用户态的时刻

设置需要剥夺当前进程而重新调度标志TIF_NEED_RESCHED的时刻

系统处于用户态的区间

系统处于哪个进程的上下文

实验步骤：

1、编写一个普通的应用程序

提示：

创建子进程可以使用系统调用fork

输出字符A可以使用系统调用write：write（2，“A”，1）

主动放弃CPU可以使用系统调用sched_yield

父进程应等待子进程结束以后才退出，可以使用系统调用waitpid

2、在Ubuntu中编译测试上述应用程序； 待成功后，重新编译生成带调试信息的32位可执行文件

3、将生成的可执行文件放入实验用的qume虚拟机

4、运行qume虚拟机，在虚拟机的命令解释器中运行和测试应用程序，确保其正确输出期望的字符序列

5、调试分析内核，绘制时序图，步骤如下

a）启动调试，设置所需要的内核断点，可执行文件的执行（do_execve，只需要跟踪普通进程对此函数的调用），调度的开始和结束（函数_schedule的进入和退出），进程切换的开始（_switch_to），参数next_p指向新进程的进程控制块，中断处理的开始（smp_apic_timer_interrupt时钟中断，do_IRQ其他中断部分），中断和异常的结束（从ret_from_intr/ret_from_exception开始准备结束；真正结束是在restore_all，但这里也有可能是系统调用的结束），软中断处理的开始和结束（函数_do_softirq的进入和退出），缺页异常的开始（do_page_fault），设备不存在异常的开始（do_device_not_available），系统调用的开始和结束（函数do_fast_syscall_32的进入和退出，在此函数的参数regs->orig_ax中记录了系统调用号；有时系统调用的结束位置是在restore_all。系统调用返回前，一般会执行函数prepare_exit_to_usermode），增加和删除CFS运行队列中的节点（enqueue_task_fair和dequeue_task_fair，函数参数p指向被操作进程的进程控制块），更新当前进程的vruntime(update_curr，此函数结束时vruntime已经更新)，准备山上核心态进入用户态（prepare_exit_to_usermode），设置需要当前进程而重新调度标志（set_tsk_need_resched）

b）关闭除do_execve之外的的所有其他断点，使用disable命令

c）在应用程序abc的main函数入口处设置断点，步骤如下：1在内核源码目录下，创建指向abc.c所在目录的符号链接，ln -s <abc.c所在目录> abc，2查看可执行文件abc的".text"节（Section）的起始虚拟地址（VMA），在可执行文件abc所在目录运行：objdump -dlx abc | less，然后查看".test"节的起始虚拟地址，3在gdb导入应用程序符号信息：dir abc，add-symbol-file abc/abc <可执行文件abc的".text"节的起始虚拟地址>，4设置断点：b abc.c:main

d)跟踪到应用程序abc的main函数入口处

e)打开所有断点，使用enable命令

f)继续运行，分析操作系统的运行轨迹，画出进程运行的时序图，直到输出至少两个字母（可以相同）

常见问题

1、如何查看当前进程的“需要剥夺当前进程而重新调度”标志（TIF_NEED_RESCHED）?

p/x $lx_thread_info($lx_current()).flags

在该flags的第3位（位置计数从低位开始、从0开始）

2、进程调度的原因有哪些

在CONFIG_PREEMPT没有定义（实验环境的默认配置）的情况下，只有两种情况可能引发调度：a)当前进程主动放弃cpu，直接引发调度；b）从内核态返回用户态之前，如果“TIF_NEED_RESCHED”标志被设置，则剥夺当前进程，引发调度

3、如何查看当前进程的vruntime（虚拟运行时间）

p $lx_current().se.vruntime

4、系统何时处于核心态，何时处于用户态

系统调用执行期间和中断、异常处理期间处于核心态；其他时间处于用户态

5、如何知道系统处于哪个进程的上下文

查看当前进程的pid即可

6、如何查询系统调用号对应的系统调用函数名

在文件Syscalls_32.h(arch\x86\include\generated\asm)中有记录

7、如何查看当前cpu的运行队列中有进程

8、查看CFS运行队列中最小的进程vruntime

9、查看当前cpu的CFS运行队列中各进程信息

10、在每次调度停止时显示某表达式的值

11、在每次某断点被捕获而停止时都执行一组命令

12、在某函数结束处设置断点

13、在gdb启动时运行调试脚本

14、为什么会观察到一些孤立的异常返回事件（ret_from_exception）?

因为只在缺页异常处理程序的入口设置了断点，没有截获其他类型的异常

15、如何在某绝对地址处设置断点