前沿拓展：

切換用戶

1、第一進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)置，第二在“ 用戶賬戶 ”中點(diǎn)擊“ 登錄本地賬戶 ”；2、接著為顯示你的賬戶信息，不需要管，點(diǎn)右

第一是藍(lán)色的部分，線程1在運(yùn)行過程中，通過系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)程到內(nèi)核狀態(tài)，此時(shí)發(fā)生系統(tǒng)阻塞，需要調(diào)度，內(nèi)核態(tài)此時(shí)保持用戶態(tài)的現(xiàn)場(chǎng)到內(nèi)核棧中，第二通過調(diào)度子系統(tǒng)調(diào)度到線程2中運(yùn)行，此時(shí)發(fā)生線程控制塊的切換，從TCB1切換到TCB2切換到線程2的TCB時(shí)候，TCB中存放了內(nèi)核棧的指針，此時(shí)運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)，此時(shí)內(nèi)核態(tài)運(yùn)行一段收尾代碼后，一般會(huì)通過iret指令，切換線程2的用戶空間，執(zhí)行用戶空間的代碼，就完成的用戶棧的切換過程

所以對(duì)于內(nèi)核級(jí)線程，分為用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)，例如process 1，用戶進(jìn)程中有線程A和線程B，它們共享進(jìn)程的內(nèi)存空間，分別有自己的用戶棧，用于存放自己的調(diào)用過程，同時(shí)在內(nèi)核空間，有屬于自己的PCB，但是對(duì)于每一個(gè)進(jìn)程有一個(gè)內(nèi)核棧

進(jìn)程切換的時(shí)機(jī)

對(duì)于一個(gè)進(jìn)程由哪些部分組成呢？主要包括用戶空間和內(nèi)核空間，如下圖所示：

用戶空間的進(jìn)程地址空間一般由代碼段、數(shù)據(jù)段、堆、棧組成，由task_struct的VMA維護(hù)，同時(shí)所有的內(nèi)存空間都是存放在該進(jìn)程的頁(yè)表中，CPU中的reg也是由頁(yè)表機(jī)制來管理內(nèi)核空間進(jìn)程地址空間維護(hù)了一個(gè)進(jìn)程的控制塊PCB task_struct，主要是內(nèi)核棧和用戶棧信息thread_info，這兩個(gè)用戶維護(hù)進(jìn)程的上下文切換中有大用途

這個(gè)在linux進(jìn)程管理章節(jié)中已經(jīng)有詳細(xì)介紹，要想進(jìn)行進(jìn)程的切換，那么OS必須第一獲得控制權(quán)，其主要在以下情況下得到控制權(quán)

trap: 進(jìn)程主動(dòng)的切換，主要是通過執(zhí)行一個(gè)system callException: 被動(dòng)的切換，執(zhí)行了一個(gè)意外的**作，例如常見的page faultInterrupt: 硬件設(shè)備請(qǐng)求OS服務(wù) ，比如time中斷，IO中斷進(jìn)程切換

基于內(nèi)核棧實(shí)現(xiàn)進(jìn)程切換的基本思路:

1， 當(dāng)進(jìn)程由用戶態(tài)進(jìn)入內(nèi)核態(tài)時(shí)，主要是通過系統(tǒng)調(diào)用或者中斷，會(huì)引起堆棧切換，用戶信息會(huì)被壓入到內(nèi)核棧中，包括此時(shí)的用戶的棧指針，PC和程序狀態(tài)保存在內(nèi)核棧中

2， 當(dāng)進(jìn)入到內(nèi)核后，此時(shí)由于某些原因，由于該進(jìn)程需要讀取磁盤或者網(wǎng)絡(luò)等信息，變成阻塞狀態(tài)，或者時(shí)間片用完，此時(shí)需要讓出CPU，重新引起調(diào)度時(shí)，**作系統(tǒng)會(huì)找到一個(gè)新的進(jìn)程的PCB，并完成新進(jìn)程PCB的切換

3， 當(dāng)完成新進(jìn)程的切換時(shí)，內(nèi)核也完成了內(nèi)核棧的切換，那么當(dāng)中斷返回時(shí)，執(zhí)行IRET，彈出的就是新進(jìn)程的EIP，從而跳轉(zhuǎn)到新進(jìn)程的用戶指令進(jìn)行執(zhí)行。

這個(gè)切換的核心就是構(gòu)建出內(nèi)核棧的樣子，要在適當(dāng)?shù)牡胤綁喝霔＃m當(dāng)?shù)牡胤椒祷氐刂罚⒏鶕?jù)內(nèi)核棧的樣子，編寫相應(yīng)的匯編代碼，完成內(nèi)核堆棧的入棧和出站**作，以便保證順利完成進(jìn)程切換。

4.1 中斷入口

**作系統(tǒng)負(fù)責(zé)進(jìn)程的調(diào)度和切換，所以進(jìn)程的切換一定是內(nèi)核中發(fā)生，而用戶程序是運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)，所以就需要使用系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入到內(nèi)核態(tài)。主要的偽代碼如下：

push ds;
mov ds, 內(nèi)核段號(hào)
system_call 4.2 中斷處理

用戶態(tài)進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，要發(fā)生堆棧的切換，系統(tǒng)調(diào)用的核心指令對(duì)于X86來說是指令int 0x80，這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用中斷。 當(dāng)執(zhí)行int 0x80 這條語(yǔ)句時(shí)由用戶態(tài)進(jìn)入內(nèi)核態(tài)時(shí)，CPU會(huì)自動(dòng)按照***SS、ESP、EFLAGS、CS、EIP***的順序，將這幾個(gè)寄存器的值壓入到內(nèi)核棧中，由于執(zhí)行int 0x80時(shí)還未進(jìn)入內(nèi)核，所以壓入內(nèi)核棧的這五個(gè)寄存器的值是用戶態(tài)時(shí)的值，其中***EIP*為int 0x80的下一條語(yǔ)句 "=a" (__res)，這條語(yǔ)句的含義是將eax所代表的寄存器的值放入到_res變量中。所以當(dāng)應(yīng)用程序在內(nèi)核中返回時(shí)，會(huì)繼續(xù)執(zhí)行 “=a” (__res) 這條語(yǔ)句。**這個(gè)過程完成了進(jìn)程切換中的第一步，通過在內(nèi)核棧中壓入用戶棧的ss、esp建立了用戶棧和內(nèi)核棧的聯(lián)系，形象點(diǎn)說，即在用戶棧和內(nèi)核棧之間拉了一條線，形成了一套棧。

在system_call中執(zhí)行完相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用sys_call_xx后，又將函數(shù)的返回值eax壓棧。若引起調(diào)度，則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行reschedule。否則則執(zhí)行ret_from_sys_call。

在執(zhí)行schedule前將ret_from_sys_call壓棧，因?yàn)閟chedule是c函數(shù)，所以在c函數(shù)末尾的}，相當(dāng)于ret指令，將會(huì)彈出ret_from_sys_call作為返回地址，跳轉(zhuǎn)到ret_from_sys_call執(zhí)行。 小編綜合來說，在系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束后，將要中斷返回前，內(nèi)核棧主要是SS：SP指向用戶棧，EFLAGS標(biāo)志寄存器，返回地址EIP，還有一些其他的other Registers:EAX,EBX等，如下圖所示

4.3 找到當(dāng)前進(jìn)程的PCB和新進(jìn)程的PCB

當(dāng)前進(jìn)程的PCB 當(dāng)前進(jìn)程的PCB是用一個(gè)全局變量current指向的*(在sched.c中定義)* ，所以current即指向當(dāng)前進(jìn)程的PCB，pnext就指向下個(gè)進(jìn)程的PCB。 在schedule()*函數(shù)中，當(dāng)調(diào)用函數(shù)*switch_to(pent, _LDT(next))*時(shí)，會(huì)依次將返回地址**}***、參數(shù)2 ***_LDT(next)***、參數(shù)1 *pnext**壓棧。當(dāng)執(zhí)行*switch_to*的返回指令ret時(shí)，就回彈出schedule()函數(shù)的}執(zhí)行*schedule()*函數(shù)的返回指令

4.4 switch_to

對(duì)于schedule中switch_to，表示要取出表示下一個(gè)進(jìn)程的PCB參數(shù)，并與當(dāng)前的current做一個(gè)比較，如果是當(dāng)前的current，則什么也不做；如果不等于當(dāng)前的curret，則開始進(jìn)程切換，以次完成PCB的切換，內(nèi)核棧的切換等

在schedule.c中定義struct tss_struct *tss=&(init_task.task.tss)這樣一個(gè)全局變量，即0號(hào)進(jìn)程的tss，所有進(jìn)程都共用這個(gè)tss，任務(wù)切換時(shí)不再發(fā)生變化。 雖然所有進(jìn)程共用一個(gè)tss，但不同進(jìn)程的內(nèi)核棧是不同的，所以在每次進(jìn)程切換時(shí)，需要更新tss中esp0的值，讓它指向新的進(jìn)程的內(nèi)核棧，并且要指向新的進(jìn)程的內(nèi)核棧的棧底，即要保證此時(shí)的內(nèi)核棧是個(gè)空棧，幀指針和棧指針都指向內(nèi)核棧的棧底。

4.5 中斷出口

PC的切換對(duì)于被切換出去的進(jìn)程，當(dāng)再次被調(diào)度的時(shí)，根據(jù)切換出去的進(jìn)程的內(nèi)核棧的樣子，switch_to的最后一句指令ret會(huì)彈出switch_to后面的指令，作為返回地址繼續(xù)執(zhí)行，將彈出ret_from_sys_call作為返回地址，在ret_from_sys_call中繼續(xù)進(jìn)行一些處理，最后執(zhí)行iret指令，進(jìn)行終端返回，將彈出原來用戶進(jìn)程被中斷的地方作為返回地址，繼續(xù)被中斷處執(zhí)行。

5. 小編綜合來說

對(duì)于進(jìn)程切換不同于我們熟知的“模式切換”，模式切換，CPU還是在同一進(jìn)程中運(yùn)行systemcall或者中斷上下文；而進(jìn)程切換是CPU轉(zhuǎn)向另外一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行，進(jìn)程切換改變當(dāng)前的進(jìn)程空間，其主要的工作如下：

保持當(dāng)前進(jìn)程的硬件上下文(PC/SP和通用寄存器等)，對(duì)于linux系統(tǒng)而言，其硬件上下文大部分都保存在struct thread_struct thread中，但通用寄存器等都保存在內(nèi)核棧中

修改當(dāng)前進(jìn)程的PCB，比如將其狀態(tài)由運(yùn)行態(tài)修改為就緒或者等待態(tài)，并將該進(jìn)程PCB加入到相關(guān)隊(duì)列中

調(diào)度另外一個(gè)進(jìn)程，修改被調(diào)度進(jìn)程的PCB，并將其狀態(tài)修改為運(yùn)行

將“當(dāng)前進(jìn)程"的管理數(shù)據(jù)改為調(diào)度進(jìn)程的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，如頁(yè)表，TLB，同時(shí)恢復(fù)新進(jìn)程的硬件上下文，讓PC執(zhí)行新進(jìn)程的代碼

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