操作系統(tǒng)就是一個“死循環(huán)”？ 

在回答之前，我們先從進程調(diào)度的角度來看看。

進程調(diào)度想必大家都有所了解，又都不太了解。

有所了解是因為這個概念被提到太多次，不太了解是因為總覺得不直觀，浮于概念層。

今天我們從三個視角來看看進程調(diào)度究竟是怎么回事，啟車了請扶好。

小貼士：本文講述的是 linux-0.11 版本的進程調(diào)度機制，學(xué)習(xí)其骨干和框架，不要鉆入細(xì)節(jié)。

1

滴答視角

滴答

#define HZ 100

時鐘中斷

set_intr_gate(0x20, &timer_interrupt);

_timer_interrupt:
    ...
    // 增加系統(tǒng)滴答數(shù)
    incl _jiffies
    ...
    // 調(diào)用函數(shù) do_timer
    call _do_timer
    ...

void do_timer(long cpl) {
    ...
    // 當(dāng)前線程還有剩余時間片，直接返回
    if ((--current->counter)>0) return;
    // 若沒有剩余時間片，調(diào)度
    schedule();
}

進程的調(diào)度

void schedule(void) {
    int i, next, c;
    struct task_struct ** p;
    ...
    while (1) {
        c = -1;
        next = 0;
        i = NR_TASKS;
        p = &task[NR_TASKS];
        while (--i) {
            if (!*--p)
                continue;
            if ((*p)->state == TASK_RUNNING && (*p)->counter > c)
                c = (*p)->counter, next = i;
        }
        if (c) break;
        for(p = &LAST_TASK ; p > &FIRST_TASK ; --p)
            if (*p)
                (*p)->counter = ((*p)->counter >> 1) +
                        (*p)->priority;
    }
    switch_to(next);
}
別看一大坨，我做個不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)暮喕?，你就懂了?/span>
void schedule(void) {
    int next = get_max_counter_from_runnable();
    refresh_all_thread_counter();
    switch_to(next);
}

1. 拿到剩余時間片（counter的值）最大且在 runnable 狀態(tài)（state = 0）的進程號 next。

2. 如果所有 runnable 進程時間片都為 0，則將所有進程（注意不僅僅是 runnable 的進程）的 counter 重新賦值（counter = counter/2 + priority），然后再次執(zhí)行步驟 1。

3. 最后拿到了一個進程號 next，調(diào)用了 switch_to(next) 這個方法，就切換到了這個進程去執(zhí)行了。

切換進程

#define switch_to(n) {\
struct {long a,b;} __tmp; \
__asm__("cmpl %%ecx,_current\n\t" \
    "je 1f\n\t" \
    "movw %%dx,%1\n\t" \
    "xchgl %%ecx,_current\n\t" \
    "ljmp %0\n\t" \
    "cmpl %%ecx,_last_task_used_math\n\t" \
    "jne 1f\n\t" \
    "clts\n" \
    "1:" \
    ::"m" (*&__tmp.a),"m" (*&__tmp.b), \
    "d" (_TSS(n)),"c" ((long) task[n])); \
}

1.通過 ljmp 跳轉(zhuǎn)指令跳轉(zhuǎn)到新進程的偏移地址處。

2.將當(dāng)前各個寄存器的值保存在當(dāng)前進程的 TSS 中，并將新進程的 TSS 信息加載到各個寄存器。（這部分是執(zhí)行 ljmp 指令的副作用，并且是由硬件實現(xiàn)的）

上圖來源于《Linux內(nèi)核完全注釋V5.0》

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)視角

struct task_struct * task[64] = {};

struct task_struct {
    long state; 
    long counter;
    long priority;
    struct tss_struct tss;
};

#define TASK_RUNNING  0
#define TASK_INTERRUPTIBLE  1
#define TASK_UNINTERRUPTIBLE  2
#define TASK_ZOMBIE  3
#define TASK_STOPPED  4

struct tss_struct {
    ...
    long    eip;
    long    eflags;
    long    eax,ecx,edx,ebx;
    long    esp;
    long    ebp;
    ...
};

操作系統(tǒng)啟動流程視角

void main(void) {
    ...
    // 第一步：進程調(diào)度初始化
    sched_init();
    ...
    // 第二步：創(chuàng)建一個新進程并做些事
    if (!fork()) {
        init();
    }
    // 第三步：死循環(huán)，操作系統(tǒng)正式啟動完畢
    for(;;) pause();
}

void sched_init(void) {
    // 初始化第一個進程的 tss
    set_tss_desc(...);
    // 將進程數(shù)組清零
    for(i=1;i<64;i++) {
        task[i] = NULL;
        ...
    }
    // 設(shè)置始終中斷(滴答)
    set_intr_gate(0x20,&timer_interrupt);
    ...
}

后記

以上，分別從滴答視角、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)視角、操作系統(tǒng)啟動流程視角，來講解來進程調(diào)度的細(xì)節(jié)。

所謂滴答視角，可以理解為常說的進程調(diào)度視角。所謂數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)視角，可以理解為常說的進程管理視角。

但我更喜歡我起的這兩個名字，尤其是滴答視角，好可愛有木有！

不過本文是以 linux 最早的版本 linux-0.11 為例，在后來的操作系統(tǒng)演進過程中，進程調(diào)度的細(xì)節(jié)也在不斷添枝加葉，比如選出下一個要調(diào)度的進程不再是簡單地比較時間片大小，比如進程實際發(fā)生切換的時機改到了系統(tǒng)調(diào)用返回前，再比如對頁表切換的變化等等。

但整個骨架和流程都是一樣的，也即你再去研究更為復(fù)雜的現(xiàn)代操作系統(tǒng)進程調(diào)度原理時，只要按照這三個視角去分析，總是可以把握主干。

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