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lunix lab5：深入理解进程切换

article 2025/2/28 3:12:04

两步走进程环境的切换：

1、进程调度算法从就绪队列中选择一个进程（pick_next_task）

2、切换进程上下文（context_switch）

进程共享cpu和寄存器，所以进程切换时要保存对应的寄存器值属于cpu上下文:

1、用户地址空间：程序代码、数据和用户堆栈等

2、控制信息：进程描述符（存在内核堆栈的低地址，方便通过栈顶指针取）、内核堆栈（内核栈栈顶寄存器sp）等

3、进程的cpu上下文：相关寄存器的值（指令指针寄存器：下一条要执行的指令地址）。

内核把被切换出去的进程的cpu上下文保存在结构体变量thread_struct和内核堆栈中

进程切换也需要两步：

1、切换全局目录：保证不同进程的虚拟地址转换为不同物理地址

2、切换内核堆栈和进程的cpu上下文
Linux 内核中的上下文切换函数是content_switch:

在这里插入代码片
```static __always_inline struct rq *
context_switch(struct rq *rq, struct task_struct *prev,
         struct task_struct *next, struct rq_flags *rf)
{
  prepare_task_switch(rq, prev, next);

  /*
   * For paravirt, this is coupled with an exit in switch_to to
   * combine the page table reload and the switch backend into
   * one hypercall.
   */
  arch_start_context_switch(prev);

  /*
   * kernel -> kernel   lazy + transfer active
   *   user -> kernel   lazy + mmgrab() active
   *
   * kernel ->   user   switch + mmdrop() active
   *   user ->   user   switch
   */
  if (!next->mm) {                                // to kernel
    enter_lazy_tlb(prev->active_mm, next);

    next->active_mm = prev->active_mm;
    if (prev->mm)                           // from user
      mmgrab(prev->active_mm);
    else
      prev->active_mm = NULL;
  } else {                                        // to user
    membarrier_switch_mm(rq, prev->active_mm, next->mm);
    /*
     * sys_membarrier() requires an smp_mb() between setting
     * rq->curr / membarrier_switch_mm() and returning to userspace.
     *
     * The below provides this either through switch_mm(), or in
     * case 'prev->active_mm == next->mm' through
     * finish_task_switch()'s mmdrop().
     */
    switch_mm_irqs_off(prev->active_mm, next->mm, next);

    if (!prev->mm) {                        // from kernel
      /* will mmdrop() in finish_task_switch(). */
      rq->prev_mm = prev->active_mm;
      prev->active_mm = NULL;
    }
  }

  rq->clock_update_flags &= ~(RQCF_ACT_SKIP|RQCF_REQ_SKIP);

  prepare_lock_switch(rq, next, rf);

  /* Here we just switch the register state and the stack. */
  switch_to(prev, next, prev);
  barrier();

  return finish_task_switch(prev);
}

这段代码是一个用于进程切换的函数，它接收三个参数：当前的运行队列rq，当前正在运行的进程prev以及要被调度的下一个进程next。该函数将当前正在运行的进程prev切换为被调度的下一个进程next。
content_switch 函数的下一个重要函数就是 switch_to，它切换寄存器状态和栈。swtich_to 函数会进一步调用 __switch_to_asm，而 __switch_to_asm 的实现是和体系结构强相关的。 x86_64 的中__switch_to_asm的实现如下：
在这里插入代码片

  UNWIND_HINT_FUNC
  /*
   * Save callee-saved registers
   * This must match the order in inactive_task_frame
   */
  pushq  %rbp
  pushq  %rbx
  pushq  %r12
  pushq  %r13
  pushq  %r14
  pushq  %r15
 
  /* switch stack */
  movq  %rsp, TASK_threadsp(%rdi) // 保存旧进程的栈顶
  movq  TASK_threadsp(%rsi), %rsp // 恢复新进程的栈顶
 
  /* restore callee-saved registers */
  popq  %r15
  popq  %r14
  popq  %r13
  popq  %r12
  popq  %rbx
  popq  %rbp
 
  jmp  __switch_to
END(__switch_to_asm)

两条 movq 语句切换了新旧进程，随着内核栈顶的切换，内核栈空间也就切换到了新进程，之后只需要弹出栈中保存的各个寄存器的值即可恢复寄存器状态。
通过call指令和ret指令的配对使用，函数在__switch_to_asm和switch_to中进行调用和返回。call指令压栈RIP寄存器到进程切换前的prev进程内核堆栈，而ret指令出栈存入RIP寄存器的是进程切换之后的next进程的内核堆栈栈顶数据，所以 ret 恢复的就是 next 进程内核堆栈中的 rip 值，实现了 rip 值的保存与修改。

再看一下arm64架构下__switch_to_asm()的实现，调用过程：switch_to -> switch_to -> cpu_switch_to，具体的切换发生在cpu_switch_to：

	mov	x10, #THREAD_CPU_CONTEXT 	
	add	x8, x0, x10 				
	mov	x9, sp 						
	stp	x19, x20, [x8], #16			
	stp	x21, x22, [x8], #16
	stp	x23, x24, [x8], #16
	stp	x25, x26, [x8], #16
	stp	x27, x28, [x8], #16
	stp	x29, x9, [x8], #16 //x29是frame pointer，x9是stack pointer，lr是pc值
	str	lr, [x8]
	
	add	x8, x1, x10 				
	ldp	x19, x20, [x8], #16			
	ldp	x21, x22, [x8], #16
	ldp	x23, x24, [x8], #16
	ldp	x25, x26, [x8], #16
	ldp	x27, x28, [x8], #16
	ldp	x29, x9, [x8], #16
	ldr	lr, [x8]
	mov	sp, x9	
	msr	sp_el0, x1
	
	ret			 					
ENDPROC(cpu_switch_to)
NOKPROBE(cpu_switch_to)

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http://www.kler.cn/a/14269.html