前言

📫作者简介：小明java问道之路，专注于研究计算机底层/Java/Liunx 内核，就职于大型金融公司后端高级工程师，擅长交易领域的高安全/可用/并发/性能的架构设计📫 

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本文导读

Linux 中如何进行进程的切换。由于线程的表现形式也为进程，只不过共享了数据，所以我们研究进程即可，线程也是如此

一、Linux 中进程切换方式

我们先来推理一下：

1、进程为运行中的程序

2、程序的 1 进制数据：数据、运行代码（指令信息）存在于硬盘

3、CPU 控制硬盘将程序的这些信息装载到内存中，然后建立一个 PCB（进程控制块）来表示该程序在运行中的信息（进程信息：内存分布、PID、打开文件等等）

4、那么必然会有一个队列放置这些需要执行的进程，而我们只需要将 PCB 放入其中即可。这时我们称该队列为 CPU 的运行队列（runqueue）

5、在运行中的进程不可能无限期占用 CPU，比如现在有两个进程 A、B，如果 CPU 一直执行 A，那么 B 将永远无法执行。就像你在听音乐，然后 CPU 被音乐进程占用了，那么你将无法再继续其他工作

6、这时，我们可以用前文中介绍的：并行、并发，来解决该问题。我们可以引入多个 CPU 来并行执行 A 和 B 进程。当然我们也可以用一个 CPU 来完成对 A 和 B 的并发调用（分时复用 CPU，只要分时间隔足够小，用户几乎无法感知切换，那么这就成功啦）

二、Linux 中进程如何切换

1、CPU 正在执行 A 进程，那么有一种乐观的条件：A 进程说：我累了，换 B 吧。这时主动将 CPU 的执行权交给 B 进程。很乐观对吧？但是考虑一下：如果 A 进程来了个死循环，这会怎样？答案是 B 进程饿死

2、那么就需要一种被动切换的功能，该功能就是各位了解的中断。

也即通过一种方式，周期性的将正在执行进程指令的 CPU 打断，让它去执行某一段代码，在该代码中，去切换到进程 B。

于是，我们就可以根据该中断，来让 A、B 进程分时复用 CPU 资源我们看到核心就是：中断。那么如何中断呢？这就涉及到其他硬件设备了，我们可以引入一个时钟硬件，让它每隔一段时间就中断 CPU，让 CPU 执行中断代码。在以前 Intel 中该设备为：8259A 中断控制芯片（感兴趣可以研究下，不过不了解问题也不大，无外乎就是个硬件设备连接到 CPU 上，周期性产生信号，让 CPU 中断），通常该中断的周期性频率为：100HZ，也即 10ms（1/100HZ*1000ms），也即每隔 10ms，CPU 就会从执行任务代码的状态，切换到执行中断代码状态，这时就可以在其中执行中断代码了。当然有没有可能更小：1000HZ，也即 1ms。

三、主动切换进程

我们来看一个系统调用（还记得什么是系统调用吧？内核提供的 Controller 接口，由用户来按照约定协议调用）nanosleep，该系统调用为 C 语言中直接调用 sleep 睡眠函数调用。我们知道，一个进程要去睡眠，那么代表了一个阻塞状态，此时将为主动切换进程。我们看到流程如下：

1、设置进程状态为可中断阻塞状态

2、调用 schedule_timeout 函数完成阻塞，然后切换进程

3、在 schedule_timeout 函数中，初始化并设置了定时器 timer，然后将该定时器放入定时器链表，然后调用 schedule()函数完成进程的切换

4、在 schedule()函数中，获取到 runqueue，进程就绪队列，从中获取到进程，然后调用 context_switch 切换执行，这时 CPU 就会转而去执行其他进程的代码

好的，我们可以稍微推理一下：

1、CPU 只知道执行指令

2、当进程需要将 CPU 的资源释放时，将会进入 schedule()函数，该函数同样也是一堆代码

3、CPU 在执行该代码时，执行了 context_switch 函数，该函数将会把 CPU 的状态信息:EIP（用于指示 CPU 执行哪一段指令）等等修改为其他进程的代码地址，这时 CPU 将会跳转执行其他进程的 EIP 所指示的代码。这时便完成了进程的切换

小结：

主动释放时，需要进程 A 主动调用调度函数 schedule()，切换 CPU 状态信息到 B 进程即可。

四、被动切换进程

以下源码我们可以看到：

1、timer_interrupt 为时钟中断时调用的中断处理代码

2、最终我们看到调用了 update_process_times 函数

3、在 update_process_times 中调用了调度函数，scheduler_tick

4、在该函数中如果发现进程的时间片已经用完（如果不了解时间片，可以这么想：把一段时间分割为不同区间，A、B 进程互相分时使用 CPU 资源），那么将会调用 set_tsk_need_resched 函数设置重调度标记位我们可以看到，所谓的被动切换，其实是对进程设置一个标记位 TIF_NEED_RESCHED，由进程自己检测该标记为来切换进程。所以，实质上被动切换也是主动切换的一个表现形式。

总结

那么进程在哪里检测该标记位呢？从源码中我们可以看到，将会在返回用户空间时检测该标志位，最终，还是调用 schedule 函数完成切换。