對Linux內(nèi)核中進(jìn)程上下文和中斷上下文的理解

內(nèi)核空間和用戶空間是操作系統(tǒng)理論的基礎(chǔ)之一，即內(nèi)核功能模塊運行在內(nèi)核空間，而應(yīng)用程序運行在用戶空間。現(xiàn)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(tǒng)設(shè)計時利用了這種硬件特性，使用了兩個級別，最高級別和最低級別，內(nèi)核運行在最高級別(內(nèi)核態(tài))，這個級別可以進(jìn)行所有操作，而應(yīng)用程序運行在較低級別(用戶態(tài))，在這個級別，處理器控制著對硬件的直接訪問以及對內(nèi)存的非授權(quán)訪問。內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)有自己的內(nèi)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。用戶空間的應(yīng)用程序，如果想要請求系統(tǒng)服務(wù)，比如操作一個物理設(shè)備，或者映射一段設(shè)備空間的地址到用戶空間，就必須通過系統(tǒng)調(diào)用來(操作系統(tǒng)提供給用戶空間的接口函數(shù))實現(xiàn)。如下圖所示：

通過系統(tǒng)調(diào)用，用戶空間的應(yīng)用程序就會進(jìn)入內(nèi)核空間，由內(nèi)核代表該進(jìn)程運行于內(nèi)核空間，這就涉及到上下文的切換，用戶空間和內(nèi)核空間具有不同的地址映射，通用或?qū)Ｓ玫募拇嫫鹘M，而用戶空間的進(jìn)程要傳遞很多變量、參數(shù)給內(nèi)核，內(nèi)核也要保存用戶進(jìn)程的一些寄存器、變量等，以便系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束后回到用戶空間繼續(xù)執(zhí)行，所謂的進(jìn)程上下文，就是一個進(jìn)程在執(zhí)行的時候，CPU的所有寄存器中的值、進(jìn)程的狀態(tài)以及堆棧中的內(nèi)容，當(dāng)內(nèi)核需要切換到另一個進(jìn)程時，它需要保存當(dāng)前進(jìn)程的所有狀態(tài)，即保存當(dāng)前進(jìn)程的進(jìn)程上下文，以便再次執(zhí)行該進(jìn)程時，能夠恢復(fù)切換時的狀態(tài)，繼續(xù)執(zhí)行。

同理，硬件通過觸發(fā)信號，導(dǎo)致內(nèi)核調(diào)用中斷處理程序，進(jìn)入內(nèi)核空間。這個過程中，硬件的一些變量和參數(shù)也要傳遞給內(nèi)核，內(nèi)核通過這些參數(shù)進(jìn)行中斷處理，中斷上下文就可以理解為硬件傳遞過來的這些參數(shù)和內(nèi)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(nèi)核工作在進(jìn)程上下文或者中斷上下文。提供系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)的內(nèi)核代碼代表發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用的應(yīng)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)程無關(guān)。

運行在進(jìn)程上下文的內(nèi)核代碼是可以被搶占的(Linux2.6支持搶占)。但是一個中斷上下文，通常都會始終占有CPU(當(dāng)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(zāi)難性的，因為內(nèi)核在進(jìn)入中斷之前會關(guān)閉進(jìn)程調(diào)度，一旦睡眠或者放棄CPU，這時內(nèi)核無法調(diào)度別的進(jìn)程來執(zhí)行，系統(tǒng)就會死掉

2、嘗試獲得信號量

如果獲得不到信號量，代碼就會睡眠，會產(chǎn)生和上面相同的情況

3、執(zhí)行耗時的任務(wù)

中斷處理應(yīng)該盡可能快，因為內(nèi)核要響應(yīng)大量服務(wù)和請求，中斷上下文占用CPU時間太長會嚴(yán)重影響系統(tǒng)功能。

4、訪問用戶空間的虛擬地址

因為中斷上下文是和特定進(jìn)程無關(guān)的，它是內(nèi)核代表硬件運行在內(nèi)核空間，所以在終端上下文無法訪問用戶空間的虛擬地址