异常控制流一（进程与进程的上下文切换）

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我是靠谱客的博主俏皮鞋子，最近开发中收集的这篇文章主要介绍异常控制流一（进程与进程的上下文切换），觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

一、正常控制流

(1)按顺序取下一条指令执行

(2)通过call,ret,jmp,jcc等指令跳转到转移目标地址处执行

cpu控制流是什么？

cpu所执行的指令的地址序列。

二、异常控制流

1.分类

①内部异常（硬件层）

整除0，溢出，缺页，越级，越权

②外部中断（硬件层）

打印机缺纸，ctrl+c，DMA结束等

③进程上下文切换（操作系统层）

2.程序和进程

程序

按某种方式形成的代码和数据的集合，静态的概念。

进程

程序关于某个数据集合的一次运行活动。动态的含义。不同的数据不同的进程。
操作系统以外的都属于“用户”的任务。
计算机所有“任务”由进程完成。

为什么引入进程？

一个独立的逻辑控制流，好像独占计算机资源。
一个私有的虚拟地址空间，好像独占存储器。
简化了编程，编译，链接，共享，加载。

3.逻辑控制流

对于确定的数据集，某进程的指令执行地址序列是确定的。称为进程的逻辑控制流。

单处理器系统：轮流使用处理器，处理器的物理控制流由多个进程的逻辑控制流组成。

并发：不同的进程控制流在时间上交错或者重叠的情况。 p1和p2、p2和p3是并发执行。

4.进程的上下文切换

问题：

hello程序何时被装入的？谁来装入？被谁启动？每次装到相同的地方？hello是否知道还有其他程序同时运行？

①进程的上下文切换

OS通过处理器调度让处理器轮流执行多个进程，实现不同进程中指令交替执行的机制。

处理器的调度等事件会形成异常控制流，上下文切换实现了安全转换。

②进程的上下文

进程的物理实体（代码和数据），和支持进程运行的环境。

现场信息：寄存器内容。（寄存器上下文、硬件上下文）

③进程的地址空间

5.进程的存储器映射

每个进程的虚拟地址空间相同。

OS要管理进程，如何描述一个进程的地址空间？

①存储器映射：虚拟空间中一个区域，与硬盘上一个对象建立关联（生成页表项），并初始化一个vm_area_struct结构信息。

mmap函数实现存储器映射：

void *mmap(void *start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offset);

如何获得实参？读取可执行文件中的程序头表。

可执行文件到主存不能直接映射。

磁盘上：可执行文件中的程序头表，描述了可执行文件区域到虚拟地址空间的映射信息。
装入系统执行，生成进程：通过进程描述符中的链表，建立虚拟地址空间的区域，与可执行文件区域的关联。
页表：描述了虚拟地址空间的page到主存page frame之间的映射。

6.共享对象和私有的写时拷贝对象

①可用mmap实现存储器映射

void *mmap(void *start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offset);

功能:将指定文件fd中偏移量offset开始的长度为length个字节的一块信息，映射到虚拟空间中起始地址为start、长度为length个字节的一块区域,得到vm_area_struct结构的信息，并初始化相应页表项(P=0) ,建立文件地址和虚存区域之间的映射关系。

进程运行时,第一次访问这些页面时,会发生缺页（P=0）,由缺页处理程序进行文件读写（P=1）。

prot指定该区域内页面的访问权限位,对应vm_area_struct结构中的vm_prot字段
PROT_EXE:页面内容由指令组成
PROT_READ:区域内页面可读
PROT_WRITE:区域内页面可写
PROT_NONE:区域内页面不能被访问

flags指定所映射的对象的类型,对应vm_area_struct结构中的vm_flags字段
MAP_PRIVATE :私有对象,采用写时拷贝技术,对应可执行文件中只读代码区域(.init、 .text、 .rodata )和已初始化数据区域( .data )
MAP_SHARED :共享对象,对应共享库文件中的信息
MAP_ANON :请求0的页,对应内核创建的匿名文件,相应页框用0初始化并驻留内存
MAP_PRIVATE | MAP_ ANON :未初始化数据(.bss).堆和用户栈等对应区域

②Linux虚拟地址空间中的区域

③共享对象

所有的进程都可以访问的代码和数据。

进程1运行，缺页，内核为进程1分配若干页框。

进程2运行时，缺页，发现这个磁盘中该区域已经在主存分配过页框，于是找到进程1页表项，将页框号填到进程2的页框号处。

即一个进程对共享区域的写操作对其他共享这个区域的进程都可见。

④私有对象的写时拷贝对象。

一个副本，多个进程使用，发生写的时候才拷贝。
为什么采用写时拷贝？节省主存。同一个可执行文件的不同进程，只读代码区一样，可读可写数据区开始时也一样，但是私有对象。
进程1运行，缺页，内核为进程1分配若干页框。
进程2运行时，缺页，发现这个磁盘中该区域已经在主存分配过页框，于是找到进程1页表项，将页框号填到进程2的页框号处，标记为只读。
如果都只是只读或者执行，则只有一个副本。
若进程2写操作，发生访问违例，内核判断异常原因是进程试图写私有的写诗拷贝页，就分配一个新页框，吧内容拷贝过去，并修改。

7.异常、中断和输入/输出

OS管理程序执行，有时候处理器执行内核代码。用一个模式位表示用户代码和内核代码。

处理器分为用户模式（用户态）和内核模式（核心态）

用户模式（目态，用户态）：处理器运行用户进程，不允许使用特权指令
内核模式（系统模式，管理模式，超级用户模式，管态，内核态，核心态）：允许使用特权指令（停机，开/关中断，cache flush等）

8.程序的加载和运行

UNIX/Linux系统中可调用exeve()启动加载器。
功能：在当前进程上下文中加载并运行一个新程序。
用法：int execve(char *filename, char *argv[],*envp[]); filename加载运行的程序名，argv参数列表，evnp环境变量列表。错误，返回-1，控制权交给调用程序；成功，不返回，最终控制权交传递到可执行目标中main。
int main(int argc, char **argv, char **envp);或者int main(int argc, char *argv[], char *envp[])；argc参数个数，参数列表中第一个总是命令名（可执行文件名）

shell命令提示符下输入:Unix>ld -o test main.o test.o

①$./hello[enter]

②shell命令行构建了argv和envp

③调用fork()创建一个子进程，与父进程shell完全相同(只读/共享)

④调用execve()函数，在当前进程上下文中加载并运行hello,将hello中的，text节、.data节、.bss节等内容加载到当前进程的虚拟地址空间(仅修改当前进程上下文中关于存储映像的一些数据结构，如页表，不从此盘拷贝代码和数据等内容）

⑤调用hello的main，hello开始在一个进程的上下文中运行。