工程师们在“摔倒”后如何不尴尬

阅读数:77 2019 年 11 月 28 日 16:43

工程师们在“摔倒”后如何不尴尬

这两天被上海维密秀的奚梦瑶摔倒事件刷屏,其实可怕的不是模特界资深的她在众目睽睽之下摔倒,而是在技术界高级的你对专业知识体系的匮乏,和面对疑问而回答不上来时的尴尬。今天就为大家补习一下关于 linux 系统内核方面的基础知识,巩固知识体系。

介绍

在我们平时和 linux 的日常工作中,经常会看到用户空间与内核空间及进程上下文与中断上下文。看着很熟悉,半天又说不出到底是怎么回事,有什么区别。看书过程经常感觉到被欺骗,似懂非懂的感觉,很是不爽,今天就来为大家加深一下对它的理解,从此摆脱对它的“尴尬症”。

用户空间与内核空间

操作系统都是采用虚拟存储器,那么对 32 位操作系统而言,它的寻址空间(虚拟存储空间)为 4G(2 的 32 次方)。操作系统的核心是内核,独立于普通的应用程序,可以访问受保护的内存空间,也有访问底层硬件设备的所有权限。为了保证用户进程不能直接操作内核,从而保护内核的安全,操作系统将虚拟空间划分为两部分,一部分为内核空间,一部分为用户空间。

内核空间:针对 linux 操作系统而言,将最高的 1G 字节(从虚拟地址 0xC0000000 到 0xFFFFFFFF),供内核使用,称为内核空间。

用户空间:将较低的 3G 字节(从虚拟地址 0x00000000 到 0xBFFFFFFF)供各个进程使用,称为用户空间。

每个进程可以通过系统调用进入内核,因此,Linux 内核与系统内的所有进程共享。于是,从具体进程的角度来看,每个进程可以拥有 4G 字节的虚拟空间。空间分配如下图所示:

工程师们在“摔倒”后如何不尴尬

有了用户空间和内核空间,整个 linux 内部结构可以分为三部分,从最底层到最上层依次是:硬件–> 内核空间–> 用户空间。如下图所示:

工程师们在“摔倒”后如何不尴尬

需要注意的细节问题:

1. 内核空间中存放的是内核代码和数据,而进程的用户空间中存放的是用户程序的代码和数据。不管是内核空间还是用户空间,它们都处于虚拟空间中。
2.Linux 使用两级保护机制:0 级供内核使用,3 级供用户程序使用。

内核态与用户态:

  1. 当一个任务(进程)执行系统调用而陷入内核代码中执行时,称进程处于内核运行态(内核态)。此时处理器处于特权级最高的(0 级)内核代码中执行。当进程处于内核态时,执行的内核代码会使用当前进程的内核栈。每个进程都有自己的内核栈。

  2. 当进程在执行用户自己的代码时,则称其处于用户运行态(用户态)。此时处理器在特权级最低的(3 级)用户代码中运行。当正在执行用户程序而突然被中断程序中断时,此时用户程序也可以象征性地称为处于进程的内核态。因为中断处理程序将使用当前进程的内核栈。

进程上下文与中断上下文

什么是进程上下文?

《linux 内核设计与实现》书中进程管理的章节对进程上下文有介绍到,书中说当一个程序执行了系统调用或者触发某个异常(软中断),此时就会陷入内核空间,内核此时代表进程执行,并处于进程上下文中。为了更好的加深理解,总结如下:

程序在执行过程中通常有用户态和内核态两种状态,CPU 对处于内核态根据上下文环境进一步细分,因此有了下面三种状态:

  • 内核态,运行于进程上下文,内核代表进程运行于内核空间。
  • 内核态,运行于中断上下文,内核代表硬件运行于内核空间。
  • 用户态,运行于用户空间。

上下文 context: 上下文简单说来就是一个环境。

用户空间的应用程序,通过系统调用,进入内核空间。这个时候用户空间的进程要传递很多变量、参数的值给内核,内核态运行的时候也要保存用户进程的一些寄存 器值、变量等。所谓的“进程上下文”,可以看作是用户进程传递给内核的这些参数以及内核要保存的那一整套的变量和寄存器值和当时的环境等。

相对于进程而言,就是进程执行时的环境。具体来说就是各个变量和数据,包括所有的寄存器变量、进程打开的文件、内存信息等。一个进程的上下文可以分为三个部分: 用户级上下文、寄存器上下文以及系统级上下文。

  1. 用户级上下文: 正文、数据、用户堆栈以及共享存储区;
  2. 寄存器上下文: 通用寄存器、程序寄存器 (IP)、处理器状态寄存器 (EFLAGS)、栈指针 (ESP);
  3. 系统级上下文: 进程控制块 task_struct、内存管理信息 (mm_struct、vm_area_struct、pgd、pte)、内核栈。

当发生进程调度时,进行进程切换就是上下文切换 (context switch). 操作系统必须对上面提到的全部信息进行切换,新调度的进程才能运行。而系统调用进行的模式切换 (mode switch)。模式切换与进程切换比较起来,容易很多,而且节省时间,因为模式切换最主要的任务只是切换进程寄存器上下文的切换。

什么是中断上下文?

硬件通过触发信号,导致内核调用中断处理程序,进入内核空间。这个过程中,硬件的一些变量和参数也要传递给内核,内核通过这些参数进行中断处理。所谓的“中断上下文”,其实也可以看作就是硬件传递过来的这些参数和内核需要保存的一些其他环境(主要是当前被打断执行的进程环境)。中断时,内核不代表任何进程运行,它一般只访问系统空间,而不会访问进程空间,内核在中断上下文中执行时一般不会阻塞。

总结

当一个进程在执行时,CPU 的所有寄存器中的值、进程的状态以及堆栈中的内容被称为该进程的上下文。

当内核需要切换到另一个进程时,它需要保存当前进程的所有状态,即保存当前进程的上下文,以便在再次执行该进程时,能够得到切换时的状态执行下去。

在 LINUX 中,当前进程上下文均保存在进程的任务数据结构中。在发生中断时, 内核就在被中断进程的上下文中,在内核态下执行中断服务例程。但同时会保留所有需要用到的资源,以便中继服务结束时能恢复被中断进程的执行。

耐心的品味一下这篇文章,多读几遍,相信你的专业知识体系会有一定的提高!

本文转载自公众号 360 云计算(ID:hulktalk)。

原文链接:

https://mp.weixin.qq.com/s/mw_oxmzGz2dK-o8VVwxtCQ

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