Linux调度程序是否需要进行上下文切换？

Question

关于 Linux 调度程序和其他类似内核系统调用，我有一个一般性问题。

Linux 调度程序是否被视为一个“进程”，每次对调度程序的调用都需要上下文切换，就像它只是另一个进程一样？

假设我们有一个时钟滴答声中断了当前正在运行的用户模式进程，现在我们必须调用调度程序。调用调度程序本身是否会引发上下文切换？调度程序是否有其自己的寄存器、U-Area 和其他必须在每次调用时恢复的内容？

这个问题也适用于许多其他系统调用。内核进程在上下文切换方面是否像常规进程一样，唯一的区别是它们拥有更多的权限和访问 CPU 的能力？

我之所以提出这个问题，是因为上下文切换的开销很大。调用调度程序本身引起上下文切换并恢复调度程序状态，之后调度程序再调用另一个进程运行，再次进行上下文切换，听起来很奇怪。

- Jenny B

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实际上有一个问题：“调度程序（调度器）是如何工作的？” 我从我的一位前辈那里得到了答案。 请查看我的评论：https://dev59.com/Z2gv5IYBdhLWcg3wHNLG#17901703 - Shekhar Kumar

Answer 1

那是一个非常好的问题，答案是“是”，但硬件意识到操作系统和任务调度的概念就不一样了。

在硬件中，您会发现有些寄存器是限定于“监管者”模式的。不详细介绍内部CPU架构，有基本程序执行寄存器的副本分别属于“用户模式”和“监管者模式”，后者只能被操作系统本身访问（通过内核设置的控制寄存器中的标志，该标志指示内核或用户模式应用当前正在运行）。

因此，你说的“上下文切换”是指交换/重置用户模式寄存器（指令寄存器、堆栈指针寄存器等等），但不需要交换系统寄存器，因为它们与用户寄存器分开存储。

例如，x86用户模式堆栈是USP - A7，而监管者模式堆栈是SSP - A7。因此，内核本身（包含任务调度程序）将使用监管者模式堆栈和其他监管者模式寄存器来运行自身，在其运行时将监管者模式标志设置为1，然后在用户模式硬件上执行上下文切换以在应用程序之间进行切换，并将监管者模式标志设置为0。

但是，在操作系统和任务调度的概念之前，如果您想要实现多任务系统，则必须使用您在问题中概述的基本概念：使用硬件中断每x个周期调用任务调度程序，然后将应用程序替换为任务调度程序，然后切换到新的应用程序。但在大多数情况下，定时器中断将是您实际的任务调度程序，并且它将被大量优化以使其更少上下文切换，而更像一个简单的中断处理程序例程。

- Mahmoud Al-Qudsi

Answer 2

以下是对调度程序调用过程的简单描述：

1. 当前具有上下文的程序正在处理器上运行。寄存器、程序计数器、标志、堆栈基址等都适用于该程序；除了操作系统本地的“保留寄存器”之类的可能例外，该程序不知道任何有关调度程序的信息。
2. 触发调度程序函数的定时中断。此时唯一发生的事情（在香草架构的情况下）是程序计数器立即跳转到BIOS中断中列出的PC地址。这开始执行调度程序的“分派”子程序；其他所有内容都不受影响，因此调度程序可以看到先前执行的程序的寄存器、堆栈等。
3. 调度程序（像所有程序一样）具有一组操作当前寄存器集的指令。这些指令是以这样的方式编写的，它们知道先前执行的应用程序已经留下了所有状态。调度程序中的前几条指令将在某个地方将此状态存储在内存中。
4. 调度程序确定下一个应该使用CPU的程序，获取其所有先前存储的状态，并将其填充到寄存器中。
5. 调度程序跳转到任务中列出的适当PC计数器，该任务现在在CPU上具有完整的上下文。

总的来说，为了简化问题，调度程序不需要寄存器，它只需要将当前CPU状态写入预定的内存位置，从预定的内存位置加载另一个进程的CPU状态，并跳转到该进程上次运行的位置。

- Shekhar Kumar

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关于第二点。假设程序正在 CPU 的第 3 环上运行。之后我们跳转到计时器中断处理程序 - 调度程序，正如你所称。这是否意味着此时 CPU 被切换到第 0 环？如果是这样，那不就已经发生了上下文切换吗？ - Alex

Answer 3

实际上，您可以查看kernel/sched.c中schedule()函数的代码。它写得非常好，应该能回答您大部分的问题。

但归根结底，Linux调度程序是通过调用schedule()来调用的，它使用其调用者的上下文执行任务。因此，没有专门的“调度程序”进程。这实际上会使事情更加困难-如果调度程序是一个进程，它也必须调度自己！

当显式调用schedule()时，它只是将调用线程A的上下文与所选可运行线程B的上下文进行切换，以便它将返回到B（通过恢复寄存器值和堆栈指针，schedule()的返回地址将变为B的地址而不是A的地址）。

- Gnurou

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schedule() 调用 context_switch()。 - Saurabh