操作系统如何在多处理器间切换应用程序的执行

如果有写过多线程的小伙伴知道，如果两个程序同时向一片区域中写入数据，可能会导致写入数据交叉错乱的情况，这是因为操作系统在运行程序时，为了能够让每个进程资源都充分被调度，会定期实施切换进程操作，本文旨在从底层源码介绍操作系统如何在内核态中切换应用程序

前置知识：小伙伴们可以阅读我这两篇文章：https://cloud.tencent.com/developer/article/2459968（介绍中断），https://cloud.tencent.com/developer/article/2457403（介绍用户态与内核态的切换）

schedular调度器介绍

我们首先需要了解一下scheduler函数，操作系统在底层进行进程资源调度时，会通过定时调度函数schedular进行：

scheduler调度函数

这个函数会在每个CPU底层定时运行，主要工作有两个：

1）更改运行状态：它会遍历当前进程的所有子进程，判断运行状态是否为就绪态(RUNNABLE)，如果是，操作系统会将它的状态更改为运行态(RUNNING)

2）移交运行权：通过swtch函数更改上下文信息，这个函数后面介绍流程会具体介绍，它的主要作用是恢复上下文信息，并移交运行权给当前线程，完成进程的切换

进程切换流程——当前进程的资源调度

如果你已经看了我的用户态与内核态切换文章（https://cloud.tencent.com/developer/article/2457403），我们知道，当操作系统从用户态切换到内核态时，会在trap.c中的usertrap()函数中，调用syscall()执行程序：

usertrap处理程序

这里面有很关键的一个点，就是在执行syscall()命令之前，操作系统会通过intr_on()开启中断，在开启中断后，当前运行的应用进程允许被CPU抢占进行资源调度，因此在操作系统调度程序时，必须开启中断，让CPU有能够进行调度的机会，而在下一个else if判断中，会判断返回的dev中断信息是否为机器内部发送的中断，在devintr()函数中，定义了三个返回数字：

devintr函数

返回2说明是计时器定期发送的中断，返回1说明是其他设备的中断，0说明还没有定义，而在usertrap函数的下面会判断which_dev是否为2，如果为2会进入yield函数：

判断中断类型是否为定时器中断

在CPU进行资源调度时，会通过计时器发送中断，使得运行进程进入yield函数：

yield函数

在yield函数中，会获取当前运行进程，获得锁，防止其他进程对当前资源进行修改操作，之后会将对应的状态state从RUNNING切换为RUNNABLE，之后进入sched函数：

sched函数

在这个函数中，会判断当前进程是否持有锁、是否为运行态、是否得到了计时器中断等一系列操作，这些判断的作用就是确保是由于计时器中断进入的该程序，判断成功会调用swtch函数交换上下文信息：

swtch汇编代码

context上下文信息结构体

这是一段汇编指令，一共有两个存储模块，分别有14条指令，其中的a0寄存器存储的是当前进程的上下文信息context指针，a1寄存器存储的是要切换的下一个进程的上下文信息context指针，这段代码的作用就是交换了两个进程的上下文信息，而这里我们不由得会思考：

既然CPU会切换进程的上下文信息状态，那么切换的下一个进程是什么？

关于这个问题，需要我们知道mycpu()函数指向的初始进程地址是什么，mycpu()在初始化时，其中会保存0号地址，也就是调度函数scheduler()对应的地址，因此，在切换上下文信息后，下一个运行的函数就是scheduler调度函数

同时在这里只存储了14个寄存器的上下文信息，并没有存储全部，其实原因很简单，由于当前进程的切换是在内核态中完成的，不需要知道用户态切换的其他信息，因此操作系统为了提高效率，只会保存接下来会用到的指令信息，因此只会存储必须用到的14个寄存器信息

这里最后要调用ret函数，这里值得注意的是，这里并不会返回到先前调用swtch函数的下一条地址，因为由于发生了定时器中断，是定时器中断导致的内核切换、保存上下文，所以获取的p->lock最后会在scheduler调度函数中被释放，即：

调用scheduler函数返回

在swtch汇编返回时，会返回到对应于scheduler的swtch指令执行，而当前的swtch指令会交换上下文信息，将当前运行的进程信息更改为刚刚设置为运行态的对应进程，先前在yield函数中获取的锁也会在这里释放，因此进程的切换就在定时器中断与scheduler函数中完成了，这里附上一张图方便小伙伴们理解：

应用进程在不同内核之间的切换

进程切换流程——scheduler函数调度下一个进程

到了这里我们再看回scheduler函数：

scheduler函数

在多处理器执行时，另一个内核会执行这个函数中，开启中断，获取锁，之后会遍历当前进程的所有子进程，找到处于就绪态的函数，将它的运行状态从就绪态转变为运行态，之后再次通过swtch函数切换进程上下文信息，将当前进程指向这个即将运行的进程，最后释放锁，也就完成了进程信息的设置

而当操作系统发出定时器中断后，内核中又会发生上述的当前进程的资源调度，再次返回到当前的swtch函数，最后把进程资源调度处获得的锁释放

这里值得注意的是，在遍历进程之前，会再次开启中断，使得当前进程又能够被CPU进行调度，因此，有时我们看到的进程运行次序实际上是这样的：

运行程序之间的中断与调度

也就是说，有可能你当前运行的程序，可能不知道经过了多少次中断调度才得以运行，因此，操作系统在内核态中的调度是很频繁的，而这也保证了计算机能够通过仅仅几个CPU就能运行数量如此庞大的程序

至此，有关于操作系统在内核中切换应用程序的介绍就结束了，希望对你有所帮助，祝好！！！