标签:堆栈 进程表 stack blank ext 需要 detail 内核 指针
https://blog.csdn.net/Swartz2015/article/details/61615603
进程切换中由于需要保存当前进程的寄存器状态信息,又要将新进程记录的寄存器状态信息加载到寄存器,因此涉及到许多栈的操作,堆栈间的来回切换,容易让人眼花缭乱,难以理解。本文试图分析以下xv6中的进程切换过程。
当前进程通过调用yield函数,进行进程切换。yield函数调用sched函数,sched函数启动swtch函数完成进程切换。整个流程是这样的:
yield->sched->swtch
在sched函数中,可以看到,当前进程总是先切换到当前cpu的scheduler切换器:
//void sched(void)
swtch(&proc->context, cpu->scheduler);
切换器是一个死循环,该循环不断在进程表中扫描,选择一个RUNNABLE的进程调度,即从scheduler切换器转换到新选择的进程:
//scheduler切换器
void
scheduler(void)
{
struct proc *p;
for(;;){
// Enable interrupts on this processor.
sti();
// Loop over process table looking for process to run.
acquire(&ptable.lock);
for(p = ptable.proc; p < &ptable.proc[NPROC]; p++){
if(p->state != RUNNABLE)
continue;
// Switch to chosen process. It is the process‘s job
// to release ptable.lock and then reacquire it
// before jumping back to us.
proc = p;
switchuvm(p);
p->state = RUNNING;
swtch(&cpu->scheduler, proc->context);
switchkvm();
// Process is done running for now.
// It should have changed its p->state before coming back.
proc = 0;
}
release(&ptable.lock);
}
}
显然,swtch函数是重点。swtch函数的原型是:
void swtch(struct context **old, struct context *new);
它的工作主要包括:1. 保存当前(old)进程的上下文。 2. 加载新进程(new)的上下文到机器寄存器中。
contex中其实就是几个寄存器变量,用来保存这些寄存器的值。
swtch的函数代码如下:
# Context switch
#
# void swtch(struct context **old, struct context *new);
#
# Save current register context in old
# and then load register context from new.
.globl swtch
swtch:
movl 4(%esp), %eax
movl 8(%esp), %edx
# Save old callee-save registers
pushl %ebp
pushl %ebx
pushl %esi
pushl %edi
# Switch stacks
movl %esp, (%eax)
movl %edx, %esp
# Load new callee-save registers
popl %edi
popl %esi
popl %ebx
popl %ebp
ret
下面分析以下swtch函数的执行过程。
swtch函数的执行过程
当任意进程调用swtch函数时,该进程的堆栈是下面这个样子的:
其中栈中每个存储区域都是4个字节。这里需要提一下,在执行指令call时,当前指令的下一条指令的地址将会push到栈中,也就是上面看到的eip,这样就可以保证在函数返回时,可以回到函数调用的下一条指令的地方。然后swtch开始执行,
movl 4(%esp), %eax
movl 8(%esp), %edx
所以寄存器eax和edx都会指向如下图所示的位置:
pushl %ebp
pushl %ebx
pushl %esi
pushl %edi
push完之后,就可以堆栈布局就变成下图所示:
对比contex和当前的栈布局,可以直观看到,此时在栈上存储的刚好是一个contex。当前的栈顶esp刚好指向当前进程的contex中的第一个元素的地址,所以这里可以说contex中包括了栈信息和寄存器信息,不仅可以用它来进行栈切换,还可以通过它恢复寄存器。因此可以想到,下次重新调度这个进程时,只需要直接将栈上的信息弹到相应寄存器中就可以了。而这个栈顶指针,我们可以直接用proc->contex指针记录就可以了。即
proc->contex = esp;
我们继续看swtch函数:
# Switch stacks
movl %esp, (%eax)
movl %edx, %esp
根据注释也可以看到,这两行主要是用于栈的切换。前面我们知道,eax中存储的是指向old_proc->contex的指针,old_proc->contex是指向当前进程的contex的指针,所以movl %esp, (%eax),相当于:
old_proc->contex = esp;
也就是让当前进程的contex指针指向栈顶。根据前面的示意图我们可以理解原理。
到此为止,旧进程的contex保存工作已经完成了。
下面的工作自然是怎么把新进程的contex弹出到对应的寄存器中。其实保存过程和弹出恢复过程是对称的。
从保存过程中,我们知道新进程的contex信息总是可以通过new_proc->contex获得,因为new_proc->contex指向了new_proc内核栈的栈顶,而栈顶依次保存着上下文寄存器信息,所以将new_proc->contex赋值到esp就完成了堆栈切换,再依次pop就可以恢复上下文寄存器信息。但是我们怎么获得new_proc的contex呢?回到前面,我们看到,就进程在调用swtch时,就把new_proc的contex放在了堆栈中,并且根据前面edx=new_proc->contex。所以堆栈切换就是把
esp= edx;
然后
popl %edi
popl %esi
popl %ebx
popl %ebp
就可以依次将new_contex中保存的寄存器值依次弹回到对应寄存器中了。
最后的
ret
指令将eip弹回。所以新进程会从它上次调用swtch函数的下一条指令开始执行。
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