Linux内核的进程切换（上）

硬件上下文概念

尽管每个进程都可以拥有属于自己的地址空间，但所有进程必须共享CPU寄存器。因此在，在恢复一个进程执行之前，内核必须确保每个寄存器装入了挂起进程时的值。而这些必须装入的寄存器中的数据就称为硬件上下文。

任务状态段

80X86体系结构：
包括一个特殊的段类型，叫任务状态段（TSS），作用是存放硬件上下文。段是x86的概念，在保护模式下，段选择符参与寻址，段选择符在段寄存器中，而tss段则在tr寄存器中。当进程切换的时候就将

intel的建议：
为每一个进程准备一个独立的tss段，进程切换的时候切换tr寄存器使之指向该进程对应的tss段，然后在任务切换时(比如涉及特权级切换的中断)使用该段保留所有的寄存器。

Linux设计：
Linux内核并没有遵从Itel的建议为每个进程设置一个TSS,而是为每个CPU设置了一个TSS，tr寄存器保存该段。

进程切换 概念篇

按照Intel的设计思路，进程切换的硬件上下文要保存在TSS中，这是可以的，因为每个进程都有TSS,然而Linux中每个CPU有一个TSS,所有进程共享一个TSS，那么切换进程时的硬件上下文保存在哪里呢？答案是进程描述符中。在linux中，进程描述符有一个thread_struct类型的字段thread,只要进程被切换出去，内核就把硬件上下文保存在这个结构里面，这个结构里面包含了大部分的CPU寄存器，但是不不包括eax、ebx等等这些通用寄存器，它们的值放在哪里呢？自然是内核栈中啦！进程切换只发生在内核态，执行切换之前，用户进程使用的所有寄存器保存在内核堆栈中，这也包括ss和esp这对寄存器。

小总结：
执行进程切换时，硬件上下文保存在两个地方：

1. task_struct的thread字段：这里保存了大部分的寄存器，如esp,eip。
2. 内核态堆栈：状态寄存器、通用寄存器，如eax，ebx…

那么现在有个问题，既然Linux既然使用thread_struct保存硬件上下文，为什么要为每个CPU设计一个TSS呢？

理由有二：

1. 当80x86的CPU从用户态切换到内核态时候需要找到内核态堆栈的地址，地址去哪里找呢？就是TSS中。进程切换时，只更新tss段中的esp0/ss0字段,使其指向新进程的内核栈。
2. 当用户态进程师徒通过一个in或者out访问一个端口的时候，CPU需要访问存放在TSS中的I/O许可权位图已检查进程是否有访问端口的权利。

由于进程切换不更换TSS本身，也就是根本不更换TR的内容。这是因为，改变TSS中SS0和ESP0所化的开销比通过装入TR以更换一个TSS要小得多。因此，在Linux内核中，TSS并不是属于某个进程的资源，而是全局性的公共资源。在多处理机的情况下，尽管内核中确实有多个TSS，但是每个CPU仍旧只有一个TSS，并且使用init_tass数组表示多个TSS,如果有N个CPU，那么数组的长度是N。

上述理由说明了在Linux中TSS的作用。到目前为止还有2个问题没有阐述清楚，即进程切换的时候，Linux是如何更新tss的内容的？thread_struct结构体到底长什么样子？下面就来解答这些问题。

执行进程切换

从本质上说，每个进程切换由两步组成：

1. 切换页全局目录以安装一个新的地址空间。
2. 切换内核态堆栈和硬件上下文，因为硬件上下文提供了内核执行新进程所需要的所有信息，包括CPU寄存器。
   其中第一步是进程地址空间的内容，这里不再描述，有兴趣的可以看深入理解Linux内核的第九章，我们重点关注的是第二步，这步是由switch_to宏执行，切换的具体过程放在下篇介绍吧。

参考文章：
http://blog.youkuaiyun.com/dog250/article/details/6203529
http://oss.org.cn/kernel-book/ch05/5.4.1.htm