14、Linux 进程切换机制详解

Linux 进程切换机制详解

1. 硬件上下文

在多进程环境中，每个进程都有自己的地址空间，但所有进程都需要共享 CPU 寄存器。因此，在恢复一个进程的执行之前，内核必须确保每个寄存器都被加载为该进程暂停时的值。在进程恢复在 CPU 上执行之前，必须加载到寄存器中的一组数据称为硬件上下文。硬件上下文是进程执行上下文的一个子集，进程执行上下文包含了进程执行所需的所有信息。

在 Linux 中，进程的部分硬件上下文存储在进程描述符中，其余部分则保存在内核模式栈中。假设 prev 指向被切换出的进程的描述符， next 指向被切换入的进程的描述符，那么进程切换可以定义为保存 prev 的硬件上下文并将其替换为 next 的硬件上下文的操作。由于进程切换经常发生，因此尽量减少保存和加载硬件上下文所花费的时间非常重要。

早期的 Linux 版本利用 80×86 架构提供的硬件支持，通过远跳转（ far jmp ）指令切换到下一个进程的任务状态段描述符选择器来执行进程切换。在执行该指令时，CPU 会自动保存旧的硬件上下文并加载新的硬件上下文，从而完成硬件上下文切换。然而，Linux 2.6 采用软件方式执行进程切换，原因如下：
- 通过一系列 mov 指令逐步进行切换，可以更好地控制加载数据的有效性。特别是可以检查 ds 和 es 段寄存器的值，这些值可能被恶意用户伪造。而使用单个远跳转指令时，无法进行此类检查。
- 旧方法和新方法所需