《深入理解Linux核心3rd》學習筆記——進程切換（上）：相關知識

 　　進程切換（process switch），作為搶佔式多任務OS中重要的一個功能，其實質就是OS核心掛起正在啟動並執行進程A，然後將先前被掛起的另一個進程B恢複運行。

 

硬體上下文

　　每個進程都有自己的地址空間，但是所有進程在物理上共用著CPU的寄存器，因此，當恢複一個進程執行前，OS核心必須要將掛起該進程時寄存器的值裝入CPU寄存器。進程恢複執行前必須裝入寄存器的一組資料就叫做“硬體上下文”（hardware context），它是進程執行內容的子集，後者是進程執行時需要的所有資訊（如地址空間中的資料等）。

　　Linux中，TSS儲存著部分的進程的硬體上下文（如ss、esp等寄存器的值），剩餘部分儲存在核心堆棧中（如eax、ebx等通用資料寄存器的值）。

　　進程切換隻發生在核心態，在進程切換之前，使用者態使用的寄存器內容都已儲存在核心堆棧上，如ss、esp等。

 任務狀態段（TSS）

　　80x86體繫結構中有個特殊的段——TSS，用來存放硬體上下文。Linux為每個CPU分配一個TSS。這樣，當一個CPU從使用者態切換到核心態時，就從TSS中得到核心態的堆棧地址，如果使用者態程式試圖用in或out指令訪問I/O裝置時，CPU就可以訪問在TSS中的I/O許可位元影像（I/O Permission Bitmap）來檢查該操作是否合法。

　　tss_struct結構描述TSS的格式。系統中有一個全域數組——init_tss，裡面儲存著每個不同CPU的TSS（n個CPU就有n個TSS）。由此可見，TSS表示了CPU上當前進程的資訊，沒有必要為每個進程都分配TSS。

　　Linux建立的TSSD（任務狀態段描述符）存放在GDT中，GDT的基地址儲存在每個CPU的gdtr寄存器裡。每個CPU的tr寄存器裡有相應的TSS的TSSD的選擇子，這可以用來在GDT中定位TSSD，從而得到TSS。CPU中有兩個不可程式化的寄存器，存放TSSD的Base欄位和Limit欄位，這樣CPU可以快速地對TSS定址，而不需經過GDT。

　　因為Linux為每個CPU分配TSS，而不是每個進程分配TSS，因此，被替換的進程的硬體上下文必須儲存在別處，不能存在TSS中。每個進程描述符中有一個欄位thread——一個thread_struct類型的欄位，使用它可以儲存部分硬體上下文。該結構中包含了大部分的CPU寄存器（如esp、eip等），但不包含eax、ebx之類的通用寄存器，因為它們儲存在進程核心堆棧中。

 

執行進程切換

　　進程切換髮生在schedule()函數中。進程切換分為兩個步驟：

1. 切換頁全域目錄（Page Global Directory）來載入一個新的地址空間，實際上就是載入新進程的cr3寄存器值。
2. 切換核心堆棧和硬體上下文，這些包含了核心執行一個新進程的所有資訊，包含了CPU寄存器。

　　現在假設prev表示即將被替換的進程的描述符，next表示即將執行的進程的描述符。其實，prev和next都是schedule()函數的局部變數。

 

switch_to宏

　　這裡討論進程切換的第2個步驟，該步驟通過switch_to宏來實現。

　　switch_to宏它有三個參數：prev、next、last。prev和next不需要解釋，last參數是幹什麼的呢？實際上，任何進程切換涉及3個進程，不僅僅是2個。

　　假設核心決定將進程A掛起，執行進程B，那麼在schedule()函數中，prev就是進程A的描述符地址，next就是進程B的描述符地址，一旦switch_to掛起A，那麼進程A就凍結了。後來，當核心想重新執行進程A，它必須通過switch_to宏來掛起進程C（通常不是進程B），此時prev代表C、next代表A。當A恢複執行，它得到它原來的核心堆棧，在這個原來的核心堆棧裡，prev代表A，next代表B。此時，代表進程A的核心代碼失去了對進程C的引用，就找不到進程C了。事實證明，這個引用對於完成進程切換是有用的。

　　switch_to的last參數是一個輸出參數，表示宏把進程C的描述符地址寫在記憶體的某個地址（這是在A恢複執行後完成的）。在進程切換之前，switch_to把prev的值寫入eax。在A恢複執行後，此時還是在switch_to宏代碼中，A得到它原來的核心堆棧，prev是A的描述符地址，注意，因為CPU內eax寄存器的值不會因為切換而變化，因此，eax裡存的是進程C的描述符地址，switch_to會將eax的值寫入到last中，原來last指向進程A的prev就被C的描述符地址覆蓋了。

　　關於switch_to宏的分析，請見下一篇。

 

__switch_to函數

　　switch_to宏裡有一句“jmp __switch_to”，即跳轉到__switch_to函數開始執行。該函數完成進程切換第2步驟的大部分工作。該函數是FASTCALL調用方式（利用關鍵字__attribute__(regparm(3))聲明），因此參數用通用資料寄存器傳遞——eax傳遞prev_p、edx傳遞next_p。

　　關於__switch_to函數的分析，請見下一篇。

 

儲存和載入FPU、MMX和XMM寄存器

　　從Intel 80486DX開始，FPU（算術浮點單位）被整合到了CPU中，浮點算術功能用ESCAPE指令來執行，操縱CPU中的浮點寄存器集。顯然，當一個進程正在使用ESCAPE指令，那麼浮點寄存器的內容就屬於它的硬體上下文。

　　為了加速多媒體程式的執行，Intel在微處理器中引入了新的指令集——MMX，MMX指令也作用於FPU的浮點寄存器。這樣，MMX就不能和FPU指令混用，但是OS核心就可以忽略新的MMX指令集，因為儲存浮點寄存器的功能代碼也能夠應用於MMX的狀態。

　　MMX使用SIMD（單指令多資料）流水線，Pentium III增強了這種SIMD能力，引入SSE（Streaming SIMD Extensions）擴充。該功能增強了8個128位寄存器（XMM寄存器）的功能，這些寄存器不和FPU/MMX寄存器重疊，因此能夠與FPU/MMX指令混用。

　　Pentium IV還引入了SSE2擴充，支援高精度浮點值，SSE2和SSE使用同一個XMM寄存器組。

　　80x86微處理器不在TSS中儲存FPU、MMX和XMM寄存器的值，不過還是提供了一些支援，能夠在需要時儲存它們。cr0寄存器有一個TS（Task-Switching）標誌位，每當執行硬體環境切換時，TS置位，每當TS被置位後進程執行ESCAPE、MMX、SSE或SSE2指令，控制器就產生一個“Device not available”異常。這樣，TS標誌位就能夠讓OS核心只有在真正需要時才儲存或恢複FPU、MMX和XMM寄存器。

　　假設進程A使用了數學副處理器，那麼當進程A被切換出去的時候，核心設定TS並將浮點寄存器的內容儲存到進程A的TSS中（原著這麼寫，但是應該是儲存到進程A描述符的一個欄位中，TSS是與CPU關聯的，進程沒有TSS）。

　　如果新進程B不使用數學副處理器，那麼核心就不需要恢複浮點寄存器的內容，但是，一旦進程B執行FPU、MMX等指令，CPU就產生一個“Device not available”異常，相應的例外處理常式就會用儲存在進程B中的相關值來恢複浮點寄存器。

　　處理FPU、MMX和XMM寄存器的資料結構存放在進程描述符的thread欄位的i387子欄位中（即thread.i387），由i387_union聯合體描述，其格式如下：

union i387_union {
        struct i387_fsave_struct    fsave; /* 儲存FPU、MMX寄存器的內容 */
        struct i387_fxsave_struct   fxsave;/* 儲存SSE和SSE2寄存器內容 */
        struct i387_soft_struct     soft;  /* 由無數學副處理器的老式CPU模型使用 */
    };

　　此外，進程描述符中還包含了兩個附加的標誌：

• thread_info結構中status欄位的TS_USEDFPU標誌，表示進程當前執行過程中是否使用過FPU、MMX和XMM寄存器。
• task_struct結構的flags欄位的PF_USED_MATH標誌，表示thread.i387的內容是否有意義。

　　儲存和載入FPU、MMX和XMM寄存器主要用到__unlazy_fpu宏，該宏在__switch_to函數中使用，下一篇會對其進行分析。

 

核心態使用FPU、MMX和XMM寄存器

　　OS核心也可以使用FPU、MMX和XMM寄存器，當然，這麼做的時候應該避免幹擾使用者態進程。因此，Linux使用如下方法來解決：

• 在核心使用副處理器之前，如果使用者態進程使用了FPU（TS_USEDFPU標誌為1），核心就要調用kernel_fpu_begin()函數，該函數裡又調用save_init_fpu()來儲存寄存器內容，然後重新設定cr0寄存器的TS標誌。
• 使用完副處理器之後，核心調用kernel_fpu_end宏設定cr0寄存器的TS標誌。
• 當使用者態進程恢複執行時，math_state_restore()函數將恢複FPU、MMX和XMM寄存器的內容。

　　需要注意的是，如果目前使用者態進程有在用數學副處理器時，kernel_fpu_begin()函數的執行時間比較長，甚至無法通過FPU、MMX或XMM達到加速的目的。因此，核心只在有限的場合使用FPU、MMX或XMM指令，比如移動或清除大記憶體區欄位、計算校正和等。