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Linux进程切换

时间：2006-03-06 来源：ChinaE_OS

为了能保证不同的进程在CPU上运行，内核必须做到挂起正在CPU上运行的进程，唤醒其他进程，并且使其在CPU上正常运行。这个过程叫进程却换，或者上下文切换，任务切换。

1：硬件上下文

尽管每个进程都有自己的地址空间，但是所有的进程都共享CPU寄存器。所以当唤醒进程执行时，必须加载唤醒进程寄存器值到相应的寄存器。

硬件上下文是进程执行上下文的一个子集，Linux中一部分硬件上下文保存在进程描述符，一部分保存在内核栈。

进程切换非常频繁，所以一定要尽量减少保存和加载寄存器的时间。Linux2。6使用软件完成进程却换。进程切换只发生在内核态，进程切换的时候，所有用户态使用的寄存器内容被保存在内核栈，包括ss和esp，他们指明了用户态栈指针。

2：任务状态段(Task state segment(TSS))

80x86有一个特殊的段（任务状态段）保存硬件上下文，尽管Linux2。6不使用硬件上下文切换，但是必须为系统中不同的CPU建立TSS.，每个TSS都一个8位的TSS描述符，该描述符包括一个32位的Base域（指向TSS的开始地址）和一个20位的Limit域，S标示该TSS是否是系统段，0表示是系统段。

Linux创建的TSSD保存在全局描述符表(GDT)，它的基地址保存在CPU的gdtr寄存器，tr寄存器保存着TSS的TSSD选择子。

Linux中用tss_struct描述TSS,代码如下：

struct tss_struct {

unsigned short back_link,__blh;

unsigned long esp0;

unsigned short ss0,__ss0h;

unsigned long esp1;

unsigned short ss1,__ss1h; /* ss1 is used to cache MSR_IA32_SYSENTER_CS */

unsigned long esp2;

unsigned short ss2,__ss2h;

unsigned long __cr3;

unsigned long eip;

unsigned long eflags;

unsigned long eax,ecx,edx,ebx;

unsigned long esp;

unsigned long ebp;

unsigned long esi;

unsigned long edi;

unsigned short es, __esh;

unsigned short cs, __csh;

unsigned short ss, __ssh;

unsigned short ds, __dsh;

unsigned short fs, __fsh;

unsigned short gs, __gsh;

unsigned short ldt, __ldth;

unsigned short trace, io_bitmap_base;

* The extra 1 is there because the CPU will access an

* additional byte beyond the end of the IO permission

* bitmap. The extra byte must be all 1 bits, and must

* be within the limit.

unsigned long io_bitmap[IO_BITMAP_LONGS + 1];

* Cache the current maximum and the last task that used the bitmap:

unsigned long io_bitmap_max;

struct thread_struct *io_bitmap_owner;

* pads the TSS to be cacheline-aligned (size is 0x100)

unsigned long __cacheline_filler[35];

* .. and then another 0x100 bytes for emergency kernel stack

unsigned long stack[64];

} __attribute__((packed));

3: thread域

在进程切换的时候，Linux不能将硬件上下文保存在TSS，因为Linux为每个处理器设计一个TSS，而不是为每个进程设计一个TSS。

每个进程描述符包含一个thread域（thread_struct）。进程切换的时候，内核保存硬件上下文在thread域中。

struct thread_struct {

/* cached TLS descriptors. */

struct desc_struct tls_array[GDT_ENTRY_TLS_ENTRIES];

unsigned long esp0;

unsigned long sysenter_cs;

unsigned long eip;

unsigned long esp;

unsigned long fs;

unsigned long gs;

/* Hardware debugging registers */

unsigned long debugreg[8]; /* %%db0-7 debug registers */

/* fault info */

unsigned long cr2, trap_no, error_code;

/* floating point info */

union i387_union i387;

/* virtual 86 mode info */

struct vm86_struct __user * vm86_info;

unsigned long screen_bitmap;

unsigned long v86flags, v86mask, saved_esp0;

unsigned int saved_fs, saved_gs;

/* IO permissions */

unsigned long *io_bitmap_ptr;

/* max allowed port in the bitmap, in bytes: */

unsigned long io_bitmap_max;

};

4：switch_to宏

该宏是与硬件相关的。宏中有三个参数：prev, next以及last，其中前两个是输入参数，后一个是输出参数。Prev指向将被替换进程的进程描述符，next指向将被执行的进程描述符。（1）介绍last的功能：

不是所有的进程却换都是两个参数，有的进程切换涉及到三个参数，如：A进程被切换出去，而B进程被激活，prev指向A进程描述符，next指向B进程描述符。一旦A进程无效，A的控制流就停止了。然后，当内核又切换掉进程C(一般C和B进程不是同一个进程)，激活进程A，prev指向进程C，next指向进程A。当A唤醒后，它找到它以前的内核栈，其prev指向A，next指向B。这时，执行在A进程一般的调度器失去了对C的参照，而事实上，该参照对进程的切换非常有用。

Last的用途：保存C进程描述符内容。

（2）保存步骤：

Ø 在进程切换前，将prev指向的内容保存在eax寄存器，即：prev在A进程的内核栈上分配。

Ø 当进程切换后，当A唤醒后，将eax的内容写回到A进程的内存空间，A进程通过第三个参数last标示。因为进程切换过程中，CPU的寄存器是不变的，内存空间获取C进程的描述符。在schedule中，last标示A进程的prev变量，所以prev的地址被C描述符地址覆盖。

Switch_to的代码如下：

#define switch_to(prev,next,last) do { \

unsigned long esi,edi; \

asm volatile("pushfl\n\t" \

"pushl %%ebp\n\t" \

"movl %%esp,%0\n\t" /* save ESP */ \

"movl %5,%%esp\n\t" /* restore ESP */ \

"movl $1f,%1\n\t" /* save EIP */ \