對Linux內核中進(jìn)程上下文和中斷上下文的理解

內核空間和用戶(hù)空間是操作系統理論的基礎之一，即內核功能模塊運行在內核空間，而應用程序運行在用戶(hù)空間?，F代的CPU都具有不同的操作模式，代表不同的級別，不同的級別具有不同的功能，在較低的級別中將禁止某些操作。Linux系統設計時(shí)利用了這種硬件特性，使用了兩個(gè)級別，最高級別和最低級別，內核運行在最高級別(內核態(tài))，這個(gè)級別可以進(jìn)行所有操作，而應用程序運行在較低級別(用戶(hù)態(tài))，在這個(gè)級別，處理器控制著(zhù)對硬件的直接訪(fǎng)問(wèn)以及對內存的非授權訪(fǎng)問(wèn)。內核態(tài)和用戶(hù)態(tài)有自己的內存映射，即自己的地址空間。

正是有了不同運行狀態(tài)的劃分，才有了上下文的概念。用戶(hù)空間的應用程序，如果想要請求系統服務(wù)，比如操作一個(gè)物理設備，或者映射一段設備空間的地址到用戶(hù)空間，就必須通過(guò)系統調用來(lái)(操作系統提供給用戶(hù)空間的接口函數)實(shí)現。如下圖所示：

通過(guò)系統調用，用戶(hù)空間的應用程序就會(huì )進(jìn)入內核空間，由內核代表該進(jìn)程運行于內核空間，這就涉及到上下文的切換，用戶(hù)空間和內核空間具有不同的地址映射，通用或專(zhuān)用的寄存器組，而用戶(hù)空間的進(jìn)程要傳遞很多變量、參數給內核，內核也要保存用戶(hù)進(jìn)程的一些寄存器、變量等，以便系統調用結束后回到用戶(hù)空間繼續執行，所謂的進(jìn)程上下文，就是一個(gè)進(jìn)程在執行的時(shí)候，CPU的所有寄存器中的值、進(jìn)程的狀態(tài)以及堆棧中的內容，當內核需要切換到另一個(gè)進(jìn)程時(shí)，它需要保存當前進(jìn)程的所有狀態(tài)，即保存當前進(jìn)程的進(jìn)程上下文，以便再次執行該進(jìn)程時(shí)，能夠恢復切換時(shí)的狀態(tài)，繼續執行。

同理，硬件通過(guò)觸發(fā)信號，導致內核調用中斷處理程序，進(jìn)入內核空間。這個(gè)過(guò)程中，硬件的一些變量和參數也要傳遞給內核，內核通過(guò)這些參數進(jìn)行中斷處理，中斷上下文就可以理解為硬件傳遞過(guò)來(lái)的這些參數和內核需要保存的一些環(huán)境，主要是被中斷的進(jìn)程的環(huán)境。

Linux內核工作在進(jìn)程上下文或者中斷上下文。提供系統調用服務(wù)的內核代碼代表發(fā)起系統調用的應用程序運行在進(jìn)程上下文;另一方面，中斷處理程序，異步運行在中斷上下文。中斷上下文和特定進(jìn)程無(wú)關(guān)。

運行在進(jìn)程上下文的內核代碼是可以被搶占的(Linux2.6支持搶占)。但是一個(gè)中斷上下文，通常都會(huì )始終占有CPU(當然中斷可以嵌套，但我們一般不這樣做)，不可以被打斷。正因為如此，運行在中斷上下文的代碼就要受一些限制，不能做下面的事情：

1、睡眠或者放棄CPU。

這樣做的后果是災難性的，因為內核在進(jìn)入中斷之前會(huì )關(guān)閉進(jìn)程調度，一旦睡眠或者放棄CPU，這時(shí)內核無(wú)法調度別的進(jìn)程來(lái)執行，系統就會(huì )死掉

2、嘗試獲得信號量

如果獲得不到信號量，代碼就會(huì )睡眠，會(huì )產(chǎn)生和上面相同的情況

3、執行耗時(shí)的任務(wù)

中斷處理應該盡可能快，因為內核要響應大量服務(wù)和請求，中斷上下文占用CPU時(shí)間太長(cháng)會(huì )嚴重影響系統功能。

4、訪(fǎng)問(wèn)用戶(hù)空間的虛擬地址

因為中斷上下文是和特定進(jìn)程無(wú)關(guān)的，它是內核代表硬件運行在內核空間，所以在終端上下文無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)用戶(hù)空間的虛擬地址