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
一、实验环境
os: linux
虚拟机：QEMU
内核版本 5.3.4
调试方法：GDB
fork系统的调用过程
fork函数的不同在于，os依照父进程的堆栈空间，复制了一份一模一样的堆栈空间给子进程，不过改变了子进程的进程号，所以子进程中也有一个fork函数，子进程从父进程fork后开始执行，子进程的fork函数会返回0 父进程的fork函数会返回子进程的进程号代表子进程创建成功
do fork系统调用的过程
_do_fork
- copy_process
复制进程描述符和执?时所需的其他数据结构- dup_task_struct
复制进程描述符task_struct、创建内核堆栈等 - copy_thread_tls
初始化?进程内核栈和thread
- dup_task_struct
- wake_up_new_task
将?进程添加到就绪队列
系统调用返回
fork系统调用实验
编写程序，使用fork函数
#include "func.h"
int g=10;
int main()
{
pid_t pid;
pid = fork();
int fd = open("file",O_RDWR);
if(0==pid)
{
printf("I AM CHILD,mypid=%d,mydad_pid=%d\n",getpid(),getppid());
}else
{
printf("I AM FATHER,mypid=%d,mychild_pid = %d\n",getpid(),pid);
sleep(2);
return 0;
}
}编译后执行结果
开启虚拟机，在__x64_sys_clone ，_do_fork，cpoy_process，dup_task_struct，copy_thread_tls下断点，shell下运行fork可执行文件，查看此时函数栈
execv系统调用
当前的可执?程序在执?，执?到execve系统调?时陷?内核态，在内核???do_execve加载可执??件，把当前进程的可执?程序给覆盖掉。当execve系统调?返回 时，返回的已经不是原来的那个可执?程序了，?是新的可执?程序。
exec函数都是通过execve系统调?进?内核，对应的系统调?内核处理函数为sys_execve或__x64_sys_execve，它们都是通过调?do_execve来具体执?加载可执??件的 ?作。
整体的调?的递进关系为：
- sys_execve()或__x64_sys_execve -> // 内核处理函数
- do_execve() –> // 系统调用函数
- do_execveat_common() -> // 系统调用函数
- __do_execve_?le ->
- exec_binprm()-> // 根据读入文件头部，寻找该文件的处理函数
- search_binary_handler() ->
- load_elf_binary() -> // 加载elf文件到内存中
- start_thread() // 开始新进程
三、进程切换
进程切换时机：
1.进程时间片用完
2.进程执行过程中遇到了 中断
3.内核线程主动调?schedule函数进?进程调度
进程上下文
- ?户地址空间：包括程序代码、数据、?户堆栈等。 （
CR3寄存器代表进程??录表，即地址空间、数据） - 控制信息：进程描述符（
thread）、内核堆栈（sp寄存器）等。 - 进程的CPU上下?，相关寄存器的值（指令指针寄存器
ip代表进程的CPU上下?）
进程切换的过程
- 切换?全局?录（
CR3）以安装?个新的地址空间，这样不同进程的虚拟地 址如0x8048400（32位x86）就会经过不同的?表转换为不同的物理地址。 - 切换内核态堆栈和进程的CPU上下?，因为进程的CPU上下?提供了内核执 ?新进程所需要的所有信息，包含所有CPU寄存器状态。
核心代码
((last) = __switch_to_asm((prev), (next)));
ENTRY(__switch_to_asm)
pushq %rbp
pushq %rbx
pushq %r12
pushq %r13
pushq %r14
pushq %r15
/* switch stack */
movq %rsp, TASK_threadsp(%rdi)
movq TASK_threadsp(%rsi), %rsp
popq %r15
popq %r14
popq %r13
popq %r12
popq %rbx
popq %rbp
jmp __switch_to END(__switch_to)__switch_to_asm是在C代码中调?的，也就是使?call指令，?这段汇编的结尾是jmp __switch_to， __switch_to函数是C代码最后有个return，也就是ret指令。将__switch_to_asm和__switch_to结合起来，正好是call指令和ret指令的配对出现。
call指令压栈RIP寄存器到进程切换前的prev进程内核堆栈；?ret指令出栈存?RIP 寄存器的是进程切换之后的next进程的内核堆栈栈顶数据。
由此完成了进程的切换。
中断上下文和进程上下文对比
中断上下文的切换
中断是由CPU实现的，所以中断上下?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。
进程上下文的切换
进程切换是由内核实现的（且一般情况下，进程上下文切换嵌套在中断中），所以进程上下?切换过程最关键的栈顶寄存器sp切换是通过进程描述符的thread.sp实现的，指令指针 寄存器ip的切换是在内核堆栈切换的基础上巧妙利?call/ret指令实现的。