进程切换时load_sp0的原理

进程切换时load_sp0的原理

April 3, 2024

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Linux内核在做进程切换的主要函数如下：

__visible __notrace_funcgraph struct task_struct *
__switch_to(struct task_struct *prev_p, struct task_struct *next_p)
{
  struct thread_struct *prev = &prev_p->thread;
  struct thread_struct *next = &next_p->thread;
......
  int cpu = smp_processor_id();
  struct tss_struct *tss = &per_cpu(cpu_tss, cpu);
......
  load_TLS(next, cpu);
......
  this_cpu_write(current_task, next_p);
  /* Reload esp0 and ss1.  This changes current_thread_info(). */
  load_sp0(tss, next);
......
  return prev_p;
}

其中load_sp0(tss, next)做了什么事情？为什么要这么做？

TSS（Task State Segment，任务状态段）结构里有所有的寄存器。做进程切换的时候，没必要每个寄存器都切换，这样每个进程一个 TSS，就需要全量保存，全量切换，动作太大了。

Linux 操作系统想了一个办法。在系统初始化的时候，会调用 cpu_init, 这里面会给每一个 CPU 关联一个 TSS，然后将 TR 指向这个 TSS，然后在操作系统的运行过程中，TR 就不切换了，永远指向这个 TSS。TSS 用数据结构 tss_struct 表示。

void cpu_init(void)
{
  int cpu = smp_processor_id();
  struct task_struct *curr = current;
  struct tss_struct *t = &per_cpu(cpu_tss, cpu);
    ......
    load_sp0(t, thread);
  set_tss_desc(cpu, t);
  load_TR_desc();
    ......
}
struct tss_struct {
  /*
   * The hardware state:
   */
  struct x86_hw_tss  x86_tss;
  unsigned long    io_bitmap[IO_BITMAP_LONGS + 1];
}

在 Linux 中，真的参与进程切换的寄存器很少，主要的就是栈顶寄存器。于是，在 task_struct 里面，还有一个原来没有注意的成员变量 thread。这里面保留了要切换进程的时候需要修改的寄存器。

/* CPU-specific state of this task: */
  struct thread_struct    thread;

所谓的进程切换，就是将某个进程的 thread_struct 里面的寄存器的值，写入到 CPU 的 TR 指向的 tss_struct，对于 CPU 来讲，这就算是完成了切换。 __switch_to 中的 load_sp0，就是将下一个进程的 thread_struct 的 sp0 的值加载到 tss_struct 里面去。

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