结合中断上下文切换和进程上下文切换分析Linux内核一般执行过程

一、实验要求

以fork和execve系统调用为例分析中断上下文的切换
分析execve系统调用中断上下文的特殊之处
分析fork子进程启动执行时进程上下文的特殊之处
以系统调用作为特殊的中断，结合中断上下文切换和进程上下文切换分析Linux系统的一般执行过程

二、上下文切换

1 进程上下文切换

为了控制进程的执行，内核必须有能力挂起正在CPU上运行的进程，并恢复执行以前挂起的某个进程，这种被称为进程切换，任务切换或进程上下文切换。尽管每个进程可以拥有属于自己的地址空间，但所有进程必须共享CPU及寄存器。因此在恢复某个进程执行之前，内核必须确保每个寄存器装载了挂起进程时的值。进程恢复执行前必须装载寄存器的数组数据，称为进程的CPU上下文。您可以将其想象成对CPU的某时刻的状态拍了张“照片”， “照片”中有CPU所有寄存器的值。同样进程切换就是拍张当前进程所有状态的“照片”保存下来，其中就包括进程的CPU上下文的“照片”，然后将导入之前保存下来的其他进程的所有状态信息恢复执行。

进程切换就是变更进程上下文

  • 最核新的是某个关键寄存器的保存与变换。 

  • CR3寄存器代表进程页目录表，即地址空间、数据。 

  • 内核堆栈栈顶寄存器sp代表进程内核堆栈（保存函数调用历史），进程描述符（最后的成员`thread`是关键）和内核堆栈存储于连续存取区域中，进程描述符存在内核堆栈的低地址，栈从高地址向低地址增长，因此通过栈顶指针寄存器还可以获取进程描述符的起始地址。 

  • 指令指针寄存器ip代表进程的CPU上下文，即要执行的下条指令地址。

这些寄存器从一个进程的状态切换到另一个进程的状态，进程切换的关键上下文就算完成了。

2 linux-5.4.34进程切换核心代码分析

linux-5.4.34进程切换过程在逻辑上并没有根本性的变化，但是代码实现方式有较大的改变，我们以x86-64体系结构为例具体分析如下。我们来看context_switch，kernel/sched/core.c，尽管代码变化较大，但还是可以看到进程地址空间mm的切换和进程关键上下⽂的切换switch_to。

进程关键上下文的切换swtich_to，arch/x86/include/asm/switch_to.h:

下面的switch_to_asm是一段汇编代码，其中有内核堆栈栈顶指针RSP寄存器的切换，有jmp switch_to，但是没有了thread.ip及标号1的位置，关键的指令指针寄存器RIP是怎么切换的呢？

这时需要注意switch_to_asm是在C代码中调用的，也就是使用call指令，而这段汇编的结尾是jmp switch_to。__switch_to函数是C代码最后有个return，也就是ret指令。

• 将switch_to_asm和switch_to结合起来，正好是call指令和ret指令的配对出现。

• 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。


    ((last) = __switch_to_asm((prev), (next)));
    ENTRY(__switch_to_asm)
    pushq %rbp
    pushq %rbx
    pushq %r12
    pushq %r13
    pushq %r14
    pushq %r15
    /* switch stack */
    movq %rsp, TASK_threadsp(%rdi)
    movq TASK_threadsp(%rsi), %rsp
    */
    popq %r15
    popq %r14
    popq %r13
    popq %r12
    popq %rbx
    popq %rbp
    jmp __switch_to
    END(__switch_to

3 进程上下文与中断上下文

进程上下文切换时需要保存要切换进程的相关信息（如thread.sp与thread.ip），这与中断上下文的切换是不同的。中断是在一个进程当中从进程的用户态到进程的内核态，或从进程的内核态返回到进程的用户态，而切换进程需要在不同
的进程间切换。但一般进程上下文切换是嵌套到中断上下文切换中的，如前述系统调用作为一种中断先陷内核，即发生中断保存现场和系统调用处理过程。其中调用了schedule函数发生进程上下文切换，当系统调用返回到用户态时会恢复现场，因此完成了保存现场和恢复现场，即完成了中断上下文切换。

请注意理清中断上下文和进程上下文两者之间的关系。

中断上下文和进程上下文的一个关键区别是堆栈切换的方法。中断是由CPU实现的，所以中断上下文切换过程中最关键的栈顶寄存器sp和指令指针寄存器ip是由CPU协助完成的；进程切换是由内核实现的，所以进程上下文切换过程中最关键
的栈顶寄存器sp切换是通过进程描述符的thread.sp实现的，指令指针寄存器ip的切换是在内核堆栈切换的基础上巧妙利用call/ret指令实现的。

4 fork中断上下文切换

先来看fork子进程的内核堆栈，从struct fork_frame可以看出它是在struct pt_regs的基础上增加了struct inactive_task_frame。对照下__switch_to_asm汇编代码中压栈和出栈的寄存器，是不是完全一致，就栈顶
多了一个ret_addr，在fork子进程中存储的就是父进程的起始点ret_from_fork。

fork子进程的内核堆栈示意图中struct pt_regs就是内核堆栈中保存的中断上下文， struct inactive_task_frame就是fork子进程的进程上下文。__switch_to_asm汇编代码中完成内核堆栈切换后的代码，正好与structinactive_task_frame对应出栈，最后的__switch_to函数的最后ret正好出栈的是ret_addr，即子进程的起始点ret_from_fork。

我们再看下fork执行流程

在linux中，我们可以通过fork系统调用来处理进程创建的任务。对于进程的创建，可以sys_clone, sys_vfork，以及sys_fork.这些系统调用的内部都使用了do_fork.函数。对于do_fork函数，会copy tast_struct，设置内核堆栈，并且对一些特定的数据结构进行修改。其中里面还有copy_thread 函数，会设置这个进程的cs和ip。这个是在进程的thread_info中保持的。这里的ip设置成了ret_from_fork函数（在ret_from_frok里面有一个jmp system_exit). 后面，fork系统调用本身可以进入到之前系统调用的部分讲的system_exit部分。这样fork 系统调用在这里就会有一个进程调度的时机。schedule 对比自己写的多道时间片轮转的问题，进程调度大致的流程是，找stask_struct链表，找里面可以用的进程，找到以后，找里面保持的ip，这里就是刚才设置的ret_from_fork, 从这里开始， jmp 到system_exit，就可以ret restore_all，恢复到父进程那个位置的代码，开始执行。

5 fork子进程启动执行时进程上下文的特殊之处

fork调用的一个奇妙之处就是它仅仅被调用一次，却能够返回两次，它可能有三种不同的返回值：

1）在父进程中，fork返回新创建子进程的进程ID；

2）在子进程中，fork返回0；

3）如果出现错误，fork返回一个负值；

创建新进程成功后，系统中出现两个基本完全相同的进程，这两个进程执行没有固定的先后顺序，哪个进程先执行要看系统的进程调度策略。此时，两个进程都从fork开始往下执行，只是pid不同。

6 execve系统调用中断上下文的特殊之处

execve系统调用的执行过程如下：

陷入内核
加载新的可执行文件并进行可执行性检查
将新的可执行文件映射到当前运行进程的进程空间中，并覆盖原来的进程数据
将EIP的值设置为新的可执行程序的入口地址。如果可执行程序是静态链接的程序，或不需要其他的动态链接库，则新的入口地址就是新的可执行文件的main函数地址；如果可执行程序还需要其他的动态链接库，则入口地址是加载器ld的入口地址
返回用户态，程序从新的EIP出开始继续往下执行。至此，老进程的上下文已经被新的进程完全替代了，但是进程的PID还是原来的。从这个角度来看，新的运行进程中已经找不到原来的对execve调用的代码了，所以execve函数的一个特别之处是他从来不会成功返回，而总是实现了一次完全的变身。

三、Linux系统的一般执行过程

Linux系统的一般执行过程分析

一般情况：当前系统正在进行，有一个用户态进程X，需要切换到用户态进程Y（进程策略决定）：

　　1.正在运行的用户态进程X

　　2.发生中断——save cs:eip/esp/eflags(current) to kernel stack ：当前CPU上下⽂压⼊进程X的内核堆栈。然后 load cs:eip(entry of a specific ISR（中断服务例程的入口，对于系统调用就是 system_call）) 和ss:esp(point to kernel stack).//加载当前进程内核堆栈相关信息，跳转到中断处理程序，即中断执⾏路径的起点。这些保存和加载都是CPU自动完成。

　　3.SAVE_ALL //保存现场，此时完成了中断上下⽂切换，即从进程X的⽤户态到进程X的内核态。

　　4.中断处理过程中或中断返回前调用了schedule()，其中的switch_to做了关键的进程上下文切换。将当前进程X的内核堆栈切换到进程调度算法选出来的next进程（本例假定为进程Y）的内核堆栈，并完成了进程上下文所需的 EIP等寄存器状态切换。详细过程如前述内容。

　　5.标号1之后开始运行用户态进程Y(这里Y曾经通过以上步骤被切换出去过，就是next以前做过prev，因此可以从标号1继续执行)

　　6.restore_all //Y进程从它的中断中恢复现场，与（3）中保存现场相对应。注意是进程Y的中断处理过程中，（3）中保存现场是在进程X的中断处理过程中，因为内核堆栈从进程X切换到进程Y了。

　　7.iret - pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack//从Y进程的内核堆栈中弹出2）中硬件完成的压栈内容。此时完成了中断上下文的切换，即从进程Y的内核态返回到进程Y的⽤户态。

　　8.继续运行用户态进程Y//执行发生中断时间点的下一条指令。
关键：中断上下文的切换（中断和中断返回时CPU进行上下文切换）和进程上下文的切换（进程调度过程中，从一个进程的内核堆栈切换到另一个进程的内核堆栈）

Linux系统执行过程中的几个特殊情况

　　1.通过中断处理过程中的调度时机，用户态进程与内核线程之间互相切换和内核线程之间互相切换，与最一般的情况非常类似，只是内核线程运行过程中发生中断没有进程用户态和内核态的转换；

　　2.内核线程主动调用schedule()，只有进程上下文的切换，没有发生中断上下文的切换，与最一般的情况略简略；//用户态进程不能主动调用

　　3.fork：创建子进程的系统调用在子进程中的执行起点（next_ ip = ret_ from_ fork）返回用户态，进程返回不是从标号1开始执行，直接跳转到ret_ from_fork执行然后返回到用户态；

　　4.加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况，如execve，只是中断上下文在execve系统调用内部被修改了；

在linux中，我们可以通过fork系统调用来处理进程创建的任务。对于进程的创建，可以sys_clone, sys_vfork，以及sys_fork. 这些系统调用的内部都使用了do_fork.函数。对于do_fork函数，会copy tast_struct，设置内核堆栈，并且对一些特定的数据结构进行修改。其中里面还有copy_thread 函数，会设置这个进程的cs和ip。这个是在进程的thread_info中保持的。这里的ip设置成了ret_from_fork函数（在ret_from_frok里面有一个jmp system_exit). 后面，fork系统调用本身可以进入到之前系统调用的部分讲的system_exit部分。这样fork 系统调用在这里就会有一个进程调度的时机。schedule 对比自己写的多道时间片轮转的问题，进程调度大致的流程是，找stask_struct链表，找里面可以用的进程，找到以后，找里面保持的ip，这里就是刚才设置的ret_from_fork, 从这里开始， jmp 到system_exit，就可以ret restore_all，恢复到父进程那个位置的代码，开始执行。

posted @ 2020-06-15 13:49 KTT飞阅读(487) 评论(0) 收藏举报

刷新页面返回顶部