实验要求

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

1. 以fork和execve系统调用为例分析中断上下文的切换
2. 分析execve系统调用中断上下文的特殊之处
3. 分析fork子进程启动执行时进程上下文的特殊之处
4. 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

一、进程上下文切换和中断上下文的切换

• CPU上下文切换

　　CPU 寄存器，是 CPU 内置的容量小、但速度极快的内存。而程序计数器，则是用来存储CPU 正在执行的指令位置、或者即将执行的下一条指令位置。它们都是 CPU 在运行任何任务前，必须的依赖环境，因此也被叫做 CPU 上下文CPU 上下文切换，就是先把前一个任务的 CPU 上下文（也就是 CPU 寄存器和程序计数器）保存起来，然后加载新任务的上下文到这些寄存器和程序计数器，最后再跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务。根据任务的不同，CPU 的上下文切换就可以分为几个不同的场景，也就是进程上下文切换、线程上下文切换以及中断上下文切换。

• 进程上下文切换

　　Linux 按照特权等级，把进程的运行空间分为内核空间和用户空间。进程既可以在用户空间运行，又可以在内核空间中运行。进程在用户空间运行时，被称为进程的用户态，而陷入内核空间的时候，被称为进程的内核态。从用户态到内核态的转变，需要通过系统调用来完成。内核空间具有最高权限，可以直接访问所有资源；用户空间只能访问受限资源，不能直接访问内存等硬件设备，必须通过系统调用陷入到内核中，才能访问这些特权资源。

　　进程是由内核来管理和调度的，进程的切换只能发生在内核态。所以，进程的上下文不仅包括了虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源，还包括了内核堆栈、寄存器等内核空间的状态。因此，进程的上下文切换过程中，在保存当前进程的内核状态和 CPU 寄存器之前，需要先把该进程的虚拟内存、栈等保存下来；而加载了下一进程的内核态后，还需要刷新进程的虚拟内存和用户栈。进程上下文的切换，是从一个进程的内核堆栈切换到另一个进程的内核堆栈

• 中断上下文切换

　　为了快速响应硬件的事件，中断处理会打断进程的正常调度和执行，转而调用中断处理程序，响应设备事件。而在打断其他进程时，就需要将进程当前的状态保存下来，这样在中断结束后，进程仍然可以从原来的状态恢复运行。跟进程上下文不同，中断是在?个进程当中从进程的?户态到进程的内核态，或从进程的内核态返回到进程的?户态，其中断上下?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，?进程切换是在不同的进程间进行切换，完全由内核来实现。所以，即便中断过程打断了一个正处在用户态的进程，也不需要保存和恢复这个进程的虚拟内存、全局变量等用户态资源。

　　中断上下文，其实只包括内核态中断服务程序执行所必需的状态，包括 CPU 寄存器、内核堆栈、硬件中断参数等。对同一个 CPU 来说，中断处理比进程拥有更高的优先级，所以中断上下文切换并不会与进程上下文切换同时发生。同样道理，由于中断会打断正常进程的调度和执行，所以大部分中断处理程序都短小精悍，以便尽可能快的执行结束。另外，中断上下文切换也需要消耗 CPU，切换次数过多也会耗费大量的 CPU，甚至严重降低系统的整体性能。所以，当中断次数过多时，就需要注意去排查它是否会给你的系统带来严重的性能问题。

二、fork系统调用的中断上下文的切换

/* 
 * Create a kernel thread. 
 */ 
pid_t kernel_thread(int (*fn)(void *), void *arg, unsigned long flags) 
{ 
 return _do_fork(&args); 
} 
SYSCALL_DEFINE0(fork) 
{ 
 return _do_fork(&args); 
} 
SYSCALL_DEFINE0(vfork) 
{ 
 return _do_fork(&args); 
} 
SYSCALL_DEFINE5(clone, unsigned long, clone_flags, unsigned long, newsp, 
 { 
 return _do_fork(&args) 
}

int execve(const char *filename, char *const argv[],char *const envp[]);　

#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <unistd.h> 
int main(int argc, char * argv[]) 
{ 
 int pid; 
 /* fork another process */ 
 pid = fork(); 
 if (pid < 0) 
 { 
 /* error occurred */ 
 fprintf(stderr, "Fork Failed!"); 
 exit(-1); 
 } 
 else if (pid == 0) 
 { 
 /* child process */ 
 execlp("/bin/ls", "ls", NULL); 
 } 
 else 
 { 
 /* parent process */ 
 /* parent will wait for the child to complete*/ 
 wait(NULL); 
 printf("Child Complete!"); 
 exit(0); 
 } 
}

结合中断上下文切换和进程上下文切换分析Linux内核的一般执行过程