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进程的深入理解与分析

2019-07-13 05:38发布

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作者： 曹国辉  南京凌嵌教育嵌入式Linux金牌讲师
专题研究一  进程的深入理解与分析        进程是程序的一次执行过程。用剧本和演出来类比，程序相当于剧本，而进程则相当于剧本的一次演出，舞台、灯光则相当于进程的运行环境。 进程的堆栈       每个进程都有自己的堆栈，内核在创建一个新的进程时，在创建进程控制块task_struct的同时，也为进程创建自己堆栈。一个进程有2个堆栈：用户堆栈和系统堆栈；用户堆栈的空间指向用户地址空间，内核堆栈的空间指向内核地址空间。当进程在用户态运行时，CPU堆栈指针寄存器指向用户堆栈地址，使用用户堆栈；当进程运行在内核态时，CPU堆栈指针寄存器指向的是内核栈空间地址，使用的是内核栈。 进程用户栈和内核栈之间的切换        当进程由于中断或系统调用从用户态转换到内核态时，进程所使用的栈也要从用户栈切换到内核栈。系统调用实质就是通过指令产生中断，称为软中断。进程因为中断（软中断或硬件产生中断），使得CPU切换到特权工作模式，此时进程陷入内核态，进程进入内核态后，首先把用户态的堆栈地址保存在内核堆栈中，然后设置堆栈指针寄存器的地址为内核栈地址，这样就完成了用户栈向内核栈的切换。       当进程从内核态切换到用户态时，最后把保存在内核栈中的用户栈地址恢复到CPU栈指针寄存器即可，这样就完成了内核栈向用户栈的切换。        这里要理解一下内核堆栈。前面我们讲到，进程从用户态进入内核态时，需要在内核栈中保存用户栈的地址。那么进入内核态时，从哪里获得内核栈的栈指针呢？       要解决这个问题，先要理解从用户态刚切换到内核态以后，进程的内核栈总是空的。这点很好理解，当进程在用户空间运行时，使用的是用户栈；当进程在内核态运行时，内核栈中保存进程在内核态运行的相关信息，但是当进程完成了内核态的运行，重新回到用户态时，此时内核栈中保存的信息全部恢复，也就是说，进程在内核态中的代码执行完成回到用户态时，内核栈是空的。      理解了从用户态刚切换到内核态以后，进程的内核栈总是空的，那刚才这个问题就很好理解了，因为内核栈是空的，那当进程从用户态切换到内核态后，把内核栈的栈顶地址设置给CPU的栈指针寄存器就可以了。       X86 Linux内核栈定义如下（可能现在的版本有所改变，但不妨碍我们对内核栈的理解），在/include/linux/sched.h中定义了如下一个联合结构：
  1. union task_union {
  2.        struct task_struct task;
  3.        unsigned long stack[2408];
  4. };
      从这个结构可以看出，内核栈占8KB的内存区。实际上，进程的task_struct结构所占的内存是由内核动态分配的，更确切地说，内核根本不给task_struct分配内存，而仅仅给内核栈分配8K的内存，并把其中的一部分给task_struct使用。       这样内核栈的起始地址就是union task_union变量的地址+8K 字节的长度。例如：我们动态分配一个union task_union类型的变量如下：
  1. unsigned char *gtaskkernelstack;
  2. gtaskkernelstack = kmalloc(sizeof(union task_union));
       那么该进程每次进入内核态时，内核栈的起始地址均为：（unsigned char *）gtaskkernelstack + 8096  进程上下文        进程切换现场称为进程上下文(context)，包含了一个进程所具有的全部信息，一般包括：进程控制块（Process Control Block，PCB）、有关程序段和相应的数据集。         进程控制块PCB（任务控制块）         进程控制块是进程在内存中的静态存在方式，Linux内核中用task_struct表示一个进程（相当于进程的人事档案）。进程的静 态描述必须保证一个进程在获得CPU并重新进入运行态时，能够精确的接着上次运行的位置继续进行，相关的程序段，数据以及CPU现场信息必须保存。处理机 现场信息主要包括处理机内部寄存器和堆栈等基本数据。 进程控制块一般可以分为进程描述信息、进程控制信息，进程相关的资源信息和CPU现场保护机构。  进程的切换 当一个进程的时间片到时，进程需要让出CPU给其他进程运行，内核需要进行进程切换。 Linux 的进程切换是通过调用函数进程切换函数schedule来实现的。进程切换主要分为2个步骤： 1. 调用switch_mm()函数进行进程页表的切换； 2. 调用 switch_to() 函数进行 CPU寄存器切换；   __switch_to定义在archarmkernel目录下的entry-armv.S 文件中，源码如下：
  1. ENTRY(__switch_to)
  3. UNWIND(.fnstart )
  5. UNWIND(.cantunwind )
  7. add ip, r1, #TI_CPU_SAVE
  9. ldr r3, [r2, #TI_TP_VALUE]
  11. stmia ip!, {r4 - sl, fp, sp, lr} @ Store most regs on stack
  13. #ifdef CONFIG_MMU
  15. ldr r6, [r2, #TI_CPU_DOMAIN]
  17. #endif
  19. #if __LINUX_ARM_ARCH__ >= 6
  21. #ifdef CONFIG_CPU_32v6K
  23. clrex
  25. #else
  27. strex r5, r4, [ip] @ Clear exclusive monitor
  29. #endif
  31. #endif
  33. #if defined(CONFIG_HAS_TLS_REG)
  35. mcr p15, 0, r3, c13, c0, 3 @ set TLS register
  37. #elif !defined(CONFIG_TLS_REG_EMUL)
  39. mov r4, #0xffff0fff
  41. str r3, [r4, #-15] @ TLS val at 0xffff0ff0
  43. #endif
  45. #ifdef CONFIG_MMU
  47. mcr p15, 0, r6, c3, c0, 0 @ Set domain register
  49. #endif
  51. mov r5, r0
  53. add r4, r2, #TI_CPU_SAVE
  55. ldr r0, =thread_notify_head
  57. mov r1, #THREAD_NOTIFY_SWITCH
  59. bl atomic_notifier_call_chain
  61. mov r0, r5
  63. ldmia r4, {r4 - sl, fp, sp, pc} @ Load all regs saved previously
  65. UNWIND(.fnend )
  67. ENDPROC(__switch_to)
Switch_to的处理流程如下：  1. 保存本进程的CPU寄存器（PC、R0 ~ R13）到本进程的栈中； 2. 保存SP(本进程的栈基地址)到task->thread.save 中； 3. 从新进程的task->thread.save恢复SP为新进程的栈基地址； 4. 从新进程的栈中恢复新进程的CPU相关寄存器值， 5. 新进程开始运行，完成任务切换。 
这里读者可能会问，在进行任务切换的时候，到底是在运行进程1还是运行进程2呢？进程切换的时候，已经进行页表切换，那页表切换之后，切换进程使用的是进程1还是进程2的页表呢？  要回答这个问题，首先我们要明白由谁来完成进程切换？  通过对操作系统的理解，毫无疑问，进程切换是由内核来完成的，也就是说，在进行进程切换时，CPU运行在内核模式，使用的是内核空间的内核代码，它既不属于进程1，也不属于进程2，当进程的时间片到时，内核提供服务来完成进程的切换。既不使用进程1的页表，也不使用进程2的页表，使用的内核映射页表。这样我们就很好理解上面的问题了。  希望这篇文的对大家深入理解进程有所帮助。

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