背景

Read the fucking source code! --By 魯迅
A picture is worth a thousand words. --By 高爾基

說明：

Kernel版本：4.14
ARM64處理器，Contex-A53，雙核
使用工具：Source Insight 3.5， Visio

1. 概述

行程切換：內核將CPU上正在運行的行程掛起，選擇下一個行程來運行，
ARM架構中，CPU上一次只能運行一個任務，內核需要為任務分配運行時間來進行調度，以便同時能處理多個任務請求，
如下圖所示：

當進行任務切換的時候，思考下兩個問題：

怎樣通過搶占來實作行程的切換？
當行程切換的時候，到底切換的什么，是怎么實作的？

這兩個問題，也是本文探討的主題了，

2. 搶占

2.1 用戶搶占

2.1.1 搶占觸發點

可以觸發搶占的情況很多，比如行程的時間片耗盡、行程等待在某些資源上被喚醒時、行程優先級改變等，Linux內核是通過設定TIF_NEED_RESCHED標志來對行程進行標記的，設定該位則表明需要進行調度切換，而實際的切換將在搶占執行點來完成，

不看代碼來講結論，那都是耍流氓，先看一下兩個關鍵結構體：struct task_struct和struct thread_info，我們在前邊的文章中也講過struct task_struct用于描述任務，該結構體的首個欄位放置的正是struct thread_info，struct thread_info結構體中flag欄位就可用于設定TIF_NEED_RESCHED，此外該結構體中的preempt_count也與搶占相關，

struct task_struct {
#ifdef CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASK
	/*
	 * For reasons of header soup (see current_thread_info()), this
	 * must be the first element of task_struct.
	 */
	struct thread_info		thread_info;
#endif
        ...
}

/*
 * low level task data that entry.S needs immediate access to.
 */
struct thread_info {
	unsigned long		flags;		/* low level flags */
	mm_segment_t		addr_limit;	/* address limit */
#ifdef CONFIG_ARM64_SW_TTBR0_PAN
	u64			ttbr0;		/* saved TTBR0_EL1 */
#endif
	int			preempt_count;	/* 0 => preemptable, <0 => bug */
};

#include <asm/current.h>
#define current_thread_info() ((struct thread_info *)current)   //通過該宏可以直接獲取thread_info的資訊
#endif

看看具體哪些函式程序中，設定了TIF_NEED_RESCHED標志吧：

內核提供了set_tsk_need_resched函式來將thread_info中flag欄位設定成TIF_NEED_RESCHED；
設定了TIF_NEED_RESCHED標志，表明需要發生搶占調度；

2.1.2 搶占執行點

用戶搶占：搶占執行發生在行程處于用戶態，
搶占的執行，最明顯的標志就是呼叫了schedule()函式，來完成任務的切換，
具體來說，在用戶態執行搶占在以下幾種情況：

例外處理后回傳到用戶態；
中斷處理后回傳到用戶態；
系統呼叫后回傳到用戶態；

如下圖：

ARMv8有4個Exception Level，其中用戶程式運行在EL0，OS運行在EL1，Hypervisor運行在EL2，Secure monitor運行在EL3；
用戶程式在執行程序中，遇到例外或中斷后，將會跳到ENTRY(vectors)向量表處開始執行；
回傳用戶空間時進行標志位判斷，設定了TIF_NEED_RESCHED則需要進行調度切換，沒有設定該標志，則檢查是否有收到信號，有信號未處理的話，還需要進行信號的處理操作；

2.2 內核搶占

Linux內核有三種內核搶占模型，先上圖：

CONFIG_PREEMPT_NONE：不支持搶占，中斷退出后，需要等到低優先級任務主動讓出CPU才發生搶占切換；
CONFIG_PREEMPT_VOLUNTARY：自愿搶占，代碼中增加搶占點，在中斷退出后遇到搶占點時進行搶占切換；
CONFIG_PREEMPT：搶占，當中斷退出后，如果遇到了更高優先級的任務，立即進行任務搶占；

2.2.1 搶占觸發點

在內核中搶占觸發點，也是設定struct thread_info的flag欄位，設定TIF_NEED_RESCHED表明需要請求重新調度，
搶占觸發點的幾種情況，在用戶搶占中已經分析過，不管是用戶搶占還是內核搶占，觸發點都是一致的；

2.2.2 搶占執行點

內核搶占：搶占執行發生在行程處于內核態，

總體而言，內核搶占執行點可以歸屬于兩大類：

中斷執行完畢后進行搶占調度；
主動呼叫preemp_enable或schedule等介面的地方進行搶占調度；

2.3 preempt_count

Linux內核中使用struct thread_info中的preempt_count欄位來控制搶占，
preempt_count的低8位用于控制搶占，當大于0時表示不可搶占，等于0表示可搶占，
preempt_enable()會將preempt_count值減1，并判斷是否需要進行調度，在條件滿足時進行切換；
preempt_disable()會將preempt_count值加1；

此外，preemt_count欄位還用于判斷行程處于各類背景關系以及開關控制等，如圖：

3. 背景關系切換

行程背景關系：包含CPU的所有暫存器值、行程的運行狀態、堆疊中的內容等，相當于行程某一時刻的快照，包含了所有的軟硬體資訊；
行程切換時，完成的就是背景關系的切換，行程背景關系的資訊會保存在每個struct task_struct結構體中，以便在切換時能完成恢復作業；

行程背景關系切換的入口就是__schedule()，分析也圍繞這函式展開，

3.1 `__schedule()`

__schedule()函式呼叫分析如下：

主要的邏輯：

根據CPU獲取運行佇列，進而得到運行佇列當前的task，也就是切換前的prev;
根據prev的狀態進行處理，比如pending信號的處理等，如果該任務是一個worker執行緒還需要將其睡眠，并喚醒同CPU上的另一個worker執行緒;
根據調度類來選擇需要切換過去的下一個task，也就是next；
context_switch完成行程的切換；

3.2 `context_switch()`

context_switch()的呼叫分析如下：

核心的邏輯有兩部分：

行程的地址空間切換：切換的時候要判斷切入的行程是否為內核執行緒，1）所有的用戶行程都共用一個內核地址空間，而擁有不同的用戶地址空間；2）內核執行緒本身沒有用戶地址空間，在行程在切換的程序中就需要對這些因素來考慮，涉及到頁表的切換，以及cache/tlb的重繪等操作，
暫存器的切換：包括CPU的通用暫存器切換、浮點暫存器切換，以及ARM處理器相關的其他一些暫存器的切換；

行程的切換，帶來的開銷不僅是頁表切換和硬體背景關系的切換，還包含了Cache/TLB重繪后帶來的miss的開銷，在實際的開發中，也需要去評估新增行程帶來的調度開銷，

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