用户态与内核态的切换

内核态与用户态的理解：

2）特权级

熟悉Unix/Linux系统的人都知道，fork的工作实际上是以系统调用的方式完成相应功能的，具体的工作是由sys_fork负责实施。其实无论是不是Unix或者Linux，对于任何操作系统来说，创建一个新的进程都是属于核心功能，因为它要做很多底层细致地工作，消耗系统的物理资源，比如分配物理内存，从父进程拷贝相关信息，拷贝设置页目录页表等等，这些显然不能随便让哪个程序就能去做，于是就自然引出特权级别的概念，显然，最关键性的权力必须由高特权级的程序来执行，这样才可以做到集中管理，减少有限资源的访问和使用冲突。

特权级显然是非常有效的管理和控制程序执行的手段，因此在硬件上对特权级做了很多支持，就Intel x86架构的CPU来说一共有0~3四个特权级，0级最高，3级最低，硬件上在执行每条指令时都会对指令所具有的特权级做相应的检查，相关的概念有CPL、DPL和RPL，这里不再过多阐述。硬件已经提供了一套特权级使用的相关机制，软件自然就是好好利用的问题，这属于操作系统要做的事情，对于Unix/Linux来说，只使用了0级特权级和3级特权级。也就是说在Unix/Linux系统中，一条工作在0级特权级的指令具有了CPU能提供的最高权力，而一条工作在3级特权级的指令具有CPU提供的最低或者说最基本权力。

3）用户态和内核态

现在我们从特权级的调度来理解用户态和内核态就比较好理解了，当程序运行在3级特权级上时，就可以称之为运行在用户态，因为这是最低特权级，是普通的用户进程运行的特权级，大部分用户直接面对的程序都是运行在用户态；反之，当程序运行在0级特权级上时，就可以称之为运行在内核态。

虽然用户态下和内核态下工作的程序有很多差别，但最重要的差别就在于特权级的不同，即权力的不同。运行在用户态下的程序不能直接访问操作系统内核数据结构和程序，比如上面例子中的testfork()就不能直接调用sys_fork()，因为前者是工作在用户态，属于用户态程序，而sys_fork()是工作在内核态，属于内核态程序。

当我们在系统中执行一个程序时，大部分时间是运行在用户态下的，在其需要操作系统帮助完成某些它没有权力和能力完成的工作时就会切换到内核态，比如testfork()最初运行在用户态进程下，当它调用fork()最终触发sys_fork()的执行时，就切换到了内核态。

2. 用户态和内核态的转换

1）用户态切换到内核态的3种方式

a. 系统调用

这是用户态进程主动要求切换到内核态的一种方式，用户态进程通过系统调用申请使用操作系统提供的服务程序完成工作，比如前例中fork()实际上就是执行了一个创建新进程的系统调用。而系统调用的机制其核心还是使用了操作系统为用户特别开放的一个中断来实现，例如Linux的int 80h中断。

b. 异常

当CPU在执行运行在用户态下的程序时，发生了某些事先不可知的异常，这时会触发由当前运行进程切换到处理此异常的内核相关程序中，也就转到了内核态，比如缺页异常。

c. 外围设备的中断

当外围设备完成用户请求的操作后，会向CPU发出相应的中断信号，这时CPU会暂停执行下一条即将要执行的指令转而去执行与中断信号对应的处理程序，如果先前执行的指令是用户态下的程序，那么这个转换的过程自然也就发生了由用户态到内核态的切换。比如硬盘读写操作完成，系统会切换到硬盘读写的中断处理程序中执行后续操作等。

这3种方式是系统在运行时由用户态转到内核态的最主要方式，其中系统调用可以认为是用户进程主动发起的，异常和外围设备中断则是被动的。

2）具体的切换操作

从触发方式上看，可以认为存在前述3种不同的类型，但是从最终实际完成由用户态到内核态的切换操作上来说，涉及的关键步骤是完全一致的，没有任何区别，都相当于执行了一个中断响应的过程，因为系统调用实际上最终是中断机制实现的，而异常和中断的处理机制基本上也是一致的，关于它们的具体区别这里不再赘述。关于中断处理机制的细节和步骤这里也不做过多分析，涉及到由用户态切换到内核态的步骤主要包括：

[1] 从当前进程的描述符中提取其内核栈的ss0及esp0信息。

[2] 使用ss0和esp0指向的内核栈将当前进程的cs,eip,eflags,ss,esp信息保存起来，这个

过程也完成了由用户栈到内核栈的切换过程，同时保存了被暂停执行的程序的下一

条指令。

[3] 将先前由中断向量检索得到的中断处理程序的cs,eip信息装入相应的寄存器，开始

执行中断处理程序，这时就转到了内核态的程序执行了。

本文将主要研究在X86体系下Linux系统中用户态到内核态切换条件，及切换过程中内核栈和任务状态段TSS在中断机制/任务切换中的作用及相关寄存器的变化。

一：用户态到内核态切换途径：

        1：系统调用        2：中断 　　3：异常

对应代码，在3.3内核中，可以在/arch/x86/kernel/entry_32.S文件中查看。

二：内核栈

内核栈：Linux中每个进程有两个栈，分别用于用户态和内核态的进程执行，其中的内核栈就是用于内核态的堆栈，它和进程的task_struct结构，更具体的是thread_info结构一起放在两个连续的页框大小的空间内。

在内核源代码中使用C语言定义了一个联合结构方便地表示一个进程的thread_info和内核栈：

此结构在3.3内核版本中的定义在include/linux/sched.h文件的第2106行：

2016  union thread_union {
2017          struct thread_info thread_info;
2018          unsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)];
2019     };        

其中thread_info结构的定义如下：

3.3内核 /arch/x86/include/asm/thread_info.h文件第26行：

 26 　　struct thread_info {
 27         struct task_struct      *task;          /* main task structure */
 28         struct exec_domain      *exec_domain;   /* execution domain */
 29         __u32                   flags;          /* low level flags */
 30         __u32                   status;         /* thread synchronous flags */
 31         __u32                   cpu;            /* current CPU */
 32         int                     preempt_count;  /* 0 => preemptable,
 33                                                    <0 => BUG */
 34         mm_segment_t            addr_limit;
 35         struct restart_block    restart_block;
 36         void __user             *sysenter_return;
 37 #ifdef CONFIG_X86_32
 38         unsigned long           previous_esp;   /* ESP of the previous stack in
 39                                                    case of nested (IRQ) stacks
 40                                                 */
 41         __u8                    supervisor_stack[0];
 42 #endif
 43         unsigned int            sig_on_uaccess_error:1;
 44         unsigned int            uaccess_err:1;  /* uaccess failed */
 45 };

它们的结构图大致如下：

　　esp寄存器是CPU栈指针，存放内核栈栈顶地址。在X86体系中，栈开始于末端，并朝内存区开始的方向增长。从用户态刚切换到内核态时，进程的内核栈总是空的，此时esp指向这个栈的顶端。

　　在X86中调用int指令型系统调用后会把用户栈的%esp的值及相关寄存器压入内核栈中，系统调用通过iret指令返回，在返回之前会从内核栈弹出用户栈的%esp和寄存器的状态，然后进行恢复。所以在进入内核态之前要保存进程的上下文，中断结束后恢复进程上下文，那靠的就是内核栈。

　　这里有个细节问题，就是要想在内核栈保存用户态的esp,eip等寄存器的值，首先得知道内核栈的栈指针，那在进入内核态之前，通过什么才能获得内核栈的栈指针呢？答案是：TSS

三：TSS

X86体系结构中包括了一个特殊的段类型：任务状态段（TSS），用它来存放硬件上下文。TSS反映了CPU上的当前进程的特权级。

linux为每一个cpu提供一个tss段，并且在tr寄存器中保存该段。

在从用户态切换到内核态时，可以通过获取TSS段中的esp0来获取当前进程的内核栈 栈顶指针，从而可以保存用户态的cs,esp,eip等上下文。

注：linux中之所以为每一个cpu提供一个tss段，而不是为每个进程提供一个tss段，主要原因是tr寄存器永远指向它，在任务切换的适合不必切换tr寄存器，从而减小开销。

下面我们看下在X86体系中Linux内核对TSS的具体实现：

内核代码中TSS结构的定义：

3.3内核中：/arch/x86/include/asm/processor.h文件的第248行处：

248   struct tss_struct {
249         /*
250          * The hardware state:
251          */
252         struct x86_hw_tss       x86_tss;
253 
254         /*
255          * The extra 1 is there because the CPU will access an
256          * additional byte beyond the end of the IO permission
257          * bitmap. The extra byte must be all 1 bits, and must
258          * be within the limit.
259          */
260         unsigned long           io_bitmap[IO_BITMAP_LONGS + 1];
261 
262         /*
263          * .. and then another 0x100 bytes for the emergency kernel stack:
264          */
265         unsigned long           stack[64];
266 
267 } ____cacheline_aligned;    

其中主要的内容是：

硬件状态结构 :       x86_hw_tss

IO权位图 :　　　　io_bitmap

备用内核栈：　　  stack

其中硬件状态结构：其中在32位X86系统中x86_hw_tss的具体定义如下：

/arch/x86/include/asm/processor.h文件中第190行处：

190#ifdef CONFIG_X86_32
191 /* This is the TSS defined by the hardware. */
192 struct x86_hw_tss {
193         unsigned short          back_link, __blh;
194         unsigned long           sp0;　　            //当前进程的内核栈顶指针
195         unsigned short          ss0, __ss0h;       //当前进程的内核栈段描述符
196         unsigned long           sp1;
197         /* ss1 caches MSR_IA32_SYSENTER_CS: */
198         unsigned short          ss1, __ss1h;
199         unsigned long           sp2;
200         unsigned short          ss2, __ss2h;
201         unsigned long           __cr3;
202         unsigned long           ip;
203         unsigned long           flags;
204         unsigned long           ax;
205         unsigned long           cx;
206         unsigned long           dx;
207         unsigned long           bx;
208         unsigned long           sp;      　　　　　　//当前进程用户态栈顶指针
209         unsigned long           bp;
210         unsigned long           si;
211         unsigned long           di;
212         unsigned short          es, __esh;
213         unsigned short          cs, __csh;
214         unsigned short          ss, __ssh;
215         unsigned short          ds, __dsh;
216         unsigned short          fs, __fsh;
217         unsigned short          gs, __gsh;
218         unsigned short          ldt, __ldth;
219         unsigned short          trace;
220         unsigned short          io_bitmap_base;
221 
222 } __attribute__((packed));

linux的tss段中只使用esp0和iomap等字段，并且不用它的其他字段来保存寄存器，在一个用户进程被中断进入内核态的时候，从tss中的硬件状态结构中取出esp0（即内核栈栈顶指针），然后切到esp0，其它的寄存器则保存在esp0指的内核栈上而不保存在tss中。

每个CPU定义一个TSS段的具体实现代码：

3.3内核中/arch/x86/kernel/init_task.c第35行：

 35  * per-CPU TSS segments. Threads are completely 'soft' on Linux,
 36  * no more per-task TSS's. The TSS size is kept cacheline-aligned
 37  * so they are allowed to end up in the .data..cacheline_aligned
 38  * section. Since TSS's are completely CPU-local, we want them
 39  * on exact cacheline boundaries, to eliminate cacheline ping-pong.
 40  */

 41 DEFINE_PER_CPU_SHARED_ALIGNED(struct tss_struct, init_tss) = INIT_TSS;

INIT_TSS的定义如下:

3.3内核中 /arch/x86/include/asm/processor.h文件的第879行：

879 #define INIT_TSS  {                                                       880         .x86_tss = {                                                      881                 .sp0            = sizeof(init_stack) + (long)&init_stack, 882                 .ss0            = __KERNEL_DS,                            883                 .ss1            = __KERNEL_CS,                            884                 .io_bitmap_base = INVALID_IO_BITMAP_OFFSET,               885          },                                                               886         .io_bitmap              = { [0 ... IO_BITMAP_LONGS] = ~0 },       887 }

其中init_stack是宏定义，指向内核栈：

61 #define init_stack              (init_thread_union.stack)

这里可以看到分别把内核栈栈顶指针、内核代码段、内核数据段赋值给TSS中的相应项。从而进程从用户态切换到内核态时，可以从TSS段中获取内核栈栈顶指针，进而保存进程上下文到内核栈中。

总结：有了上面的一些准备，现总结在进程从用户态到内核态切换过程中，Linux主要做的事：

1：读取tr寄存器，访问TSS段

2：从TSS段中的sp0获取进程内核栈的栈顶指针

3:  由控制单元在内核栈中保存当前eflags,cs,ss,eip,esp寄存器的值。

4：由SAVE_ALL保存其寄存器的值到内核栈

5：把内核代码选择符写入CS寄存器，内核栈指针写入ESP寄存器，把内核入口点的线性地址写入EIP寄存器

此时，CPU已经切换到内核态，根据EIP中的值开始执行内核入口点的第一条指令