linux内核----- swtich_to 详细分析

linux内核进程切换最重要的一个部分就是宏定义switch_to,下面从几个方面来详细讲解一下：

(1)内嵌汇编

(2)memory 破坏描述符(编译器优化)

(3)进程切换的标志是什么？

(4)堆栈切换的标志是什么？

(5)为什么switch_to 提供了三个参数？

(6)汇编参数的传递？

 

带着这几个问题，先来大体浏览一下代码

 

#define switch_to(prev, next, last)     \
do {         \
 /*        \
  * Context-switching clobbers(彻底击败) all registers, so we clobber \
  * them explicitly, via unused output variables.  \
  * (EAX and EBP is not listed because EBP is saved/restored \
  * explicitly for wchan access and EAX is the return value of \
  * __switch_to())      \
  */        \
 unsigned long ebx, ecx, edx, esi, edi;    \
         \
 asm volatile("pushfl\n\t"  /* save    flags */ \
       "pushl %%ebp\n\t"  /* save    EBP   */ \
       "movl %%esp,%[prev_sp]\n\t" /* save    ESP   */ \
       "movl %[next_sp],%%esp\n\t" /* restore ESP   */ \
       "movl $1f,%[prev_ip]\n\t" /* save    EIP   */ \
       "pushl %[next_ip]\n\t" /* restore EIP   */ \
       "jmp __switch_to\n" /* regparm call  */ \
       "1:\t"      \
       "popl %%ebp\n\t"  /* restore EBP   */ \
       "popfl\n"   /* restore flags */ \
         \
       /* output parameters */                       \
       : [prev_sp] "=m" (prev->thread.sp),  \
       /*m表示把变量放入内存，即把[prev_sp]存储的变量放入内存，最后再写入prev->thread.sp*/\
         [prev_ip] "=m" (prev->thread.ip),  \
         "=a" (last),                                           \
         /*=表示输出,a表示把变量last放入ax,eax = last*/         \
         \
         /* clobbered output registers: */  \
         "=b" (ebx), "=c" (ecx), "=d" (edx),  \
         /*b 变量放入ebx,c表示放入ecx，d放入edx,S放入si,D放入edi*/\
         "=S" (esi), "=D" (edi)    \
                \
         /* input parameters: */    \
       : [next_sp]  "m" (next->thread.sp),  \
       /*next->thread.sp 放入内存中的[next_sp]*/\
         [next_ip]  "m" (next->thread.ip),  \
                \
         /* regparm parameters for __switch_to(): */ \
         [prev]     "a" (prev),    \
         /*eax = prev  edx = next*/\
         [next]     "d" (next)    \
         \
       : /* reloaded segment registers */   \
   "memory");     \
} while (0)

 

以上代码，主要是内嵌汇编，这里先简单介绍一下：

     1 内嵌汇编语法

 __asm__ __violate__ ("movl %1,%0" : "=r" (result) : "m" (input));

 

 __asm__ __violate__("指令模板" : 输出部 : 输入部);

 

“movl %1,%0”是指令模板；“%0”和“%1”代表指令的操作数，称为占位符，内嵌汇
编靠它们将C 语言表达式与指令操作数相对应。指令模板后面用小括号括起来的是C语言表
达式，本例中只有两个：“result”和“input”，他们按照出现的顺序分别与指令操作数“%0”，
“%1”对应；注意对应顺序：第一个C 表达式对应“%0”；第二个表达式对应“%1”，依次类
推，操作数至多有10 个，分别用“%0”,“%1”….“%9”表示。在每个操作数前面有一个
用引号括起来的字符串，字符串的内容是对该操作数的限制或者说要求。“result”前面的
限制字符串是“=r”，其中“=”表示“result”是输出操作数，“r”表示需要将“result”
与某个通用寄存器相关联，先将操作数的值读入寄存器，然后在指令中使用相应寄存器，而
不是“result”本身，当然指令执行完后需要将寄存器中的值存入变量“result”，从表面
上看好像是指令直接对“result”进行操作，实际上GCC做了隐式处理，这样我们可以少写
一些指令。“input”前面的“r”表示该表达式需要先放入某个寄存器，然后在指令中使用
该寄存器参加运算。

(2)memory 破坏描述符(编译器优化)

内存访问速度远不及CPU处理速度，为提高机器整体性能，在硬件上引入硬件高速缓存
Cache，加速对内存的访问。另外在现代CPU中指令的执行并不一定严格按照顺序执行，没
有相关性的指令可以乱序执行，以充分利用CPU的指令流水线，提高执行速度。以上是硬件
级别的优化。再看软件一级的优化：一种是在编写代码时由程序员优化，另一种是由编译器
进行优化。编译器优化常用的方法有：将内存变量缓存到寄存器；调整指令顺序充分利用
CPU指令流水线，常见的是重新排序读写指令。

对常规内存进行优化的时候，这些优化是透明的，而且效率很好。由编译器优化或者硬
件重新排序引起的问题的解决办法是在从硬件（或者其他处理器）的角度看必须以特定顺序
执行的操作之间设置内存屏障（memory barrier），linux 提供了一个宏解决编译器的执行
顺序问题。
void Barrier(void)
这个函数通知编译器插入一个内存屏障，但对硬件无效，编译后的代码会把当前CPU寄存器
中的所有修改过的数值存入内存，需要这些数据的时候再重新从内存中读出。

Memory描述符告知GCC：
l  1）不要将该段内嵌汇编指令与前面的指令重新排序；也就是在执行内嵌汇编代码
之前，它前面的指令都执行完毕
l  2）不要将变量缓存到寄存器，因为这段代码可能会用到内存变量，而这些内存变
量会以不可预知的方式发生改变，因此GCC插入必要的代码先将缓存到寄存器的变
量值写回内存，如果后面又访问这些变量，需要重新访问内存。
如果汇编指令修改了内存，但是GCC 本身却察觉不到，因为在输出部分没有描述，此时
就需要在修改描述部分增加“memory”，告诉GCC 内存已经被修改，GCC 得知这个信息后，
就会在这段指令之前，插入必要的指令将前面因为优化Cache 到寄存器中的变量值先写回内
存，如果以后又要使用这些变量再重新读取。

(3)进程切换的标志-----sp指针的切换

    因为进程切换也就是进程描述符的切换，现在让我们来想一下我们是如何定位某个进程描述符的地址的，看下面的汇编代码：

   mov $0xffffe000,%ecx

   andl %esp,%ecx

   movl %ecx,p

 

执行上面代码后，p中即存储当前运行进程的thread_info结构的地址，但是我们最长用的是进程描述符的地址，因此内核设计了current宏来计算指向进程描述符的指针：

 mov $0xfffe000,%ecx

 andl %esp,%ecx

 movl (%ecx),p

因为task字段在thread_info中的偏移量为0，所以执行上述三条指令后，p即是当前运行的进程的描述符指针。

      我们可以看到，只要知道esp，那么，进程就唯一确定了，所以说esp是进程切换的标志

(4)堆栈切换的标志 --- ebp (栈低指针)

    毋庸置疑，栈底指针肯定是堆栈切换的标志

(5)switch_to 三个参数

进程切换一般都涉及三个进程，如进程a切换成进程b，b开始执行，但是当a恢复执行的时候往往是通过一个进程c，而不是进程b。注意switch_to的调用: switch_to(prev,next,prev), 可以看到last就是prev 调用方法如下：进程A->进程B switch_to(A,B,A)主要有三个参数：
输入参数两个：prev:切换前的进程，next：切换后的进程，输出参数一个：last：切换前进程。 

注意这三个变量都是局部变量，在系统栈中，所以切换到另一进程后变量的值不会改变。
进程a切换b之前，eax的值为prev，也就是A;edx的值为next，也就是B,eax的值为last，也就是A
当不考虑第三个参数时，从C切换成A，内核栈切换成A的栈，这时A中的prev和nexxt分别指向A和B，进程C的引用丢失了。这时第三个参数就派上用场了。C切换进程A后，将C存入eax中，切换到A后，由于输出部"=a" (last)会将eax的值写入last中，也就是prev中，所以此时prev和next的值就是C和B了。

(6)汇编参数的传递？

汇编是通过寄存器传递参数的，这里用了eax和edx，这样jmp就和call差不多了，但是jmp和call的区别是，call会有硬件自动压栈一些寄存器的，比如cs:ip ,这里是通过手工压栈ip，模拟了call，在__switch_to中，用return 返回。我们又会想到为什么不用call呢？原因是进入__switch_to后，我们是为运行别的进程做准备，也就是说当返回的时候应该是运行next进程而不是当前进程。如果用call的话，压栈的是当前进程的ip,那么__switch_to返回后就运行当前进程了，这与我们想运行next的进程的想法是不一致的，因此，我们手工压栈的是next进程的ip，那么，当__switch_to返回后自然出栈的就是next的ip，也就是运行next进程了。