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用户态切换内核态，Linux做了什么？

Linux的内存啥样的？ 首先要了解Linux的段页式内存结构是什么样的，用户态和内核态切换访问涉及的内存肯定是不一样的： 可以看到内核空间其实就是在虚拟空间的高地址部分 对于用户态来说，他实际上是持有内核空间的页表的，但是不能访问，每次fork都可以直接进行复制，保持各个线程都拥有同一份内核空间的

Linux的内存啥样的？

首先要了解Linux的段页式内存结构是什么样的，用户态和内核态切换访问涉及的内存肯定是不一样的：

可以看到内核空间其实就是在虚拟空间的高地址部分

对于用户态来说，他实际上是持有内核空间的页表的，但是不能访问，每次fork都可以直接进行复制，保持各个线程都拥有同一份内核空间的映射关系。

内核中采用了一个叫做内存描述符的 mm_struct 结构体来表示进程虚拟内存空间的全部信息

image.png

那么所谓内核栈就是：在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（类似于内核页表与用户页表），其中的内核栈就是用于内核态的栈，它和进程的thread_info结构一起放在两个连续的页框大小的空间内。

当用户态线程system call时 在哪里获取到该线程的内核栈地址呢？

TSS (Task Status Segment)

TSS(task status segment)就是一个段内存。TSS中存储了相关信息，例如内核栈的地址。tss的内存地址存放在tr寄存器中。

tss保存不同特权级别下任务所使用的寄存器，特别重要的是esp，因为比如中断后，涉及特权级切换时(一个任务切换)，首先要切换栈，这个栈显然是内核栈，那么如何找到该栈的地址呢，这需要从tss段中得到，这样后续的执行才有所依托(在x86机器上，c语言的函数调用是通过栈实现的)。只要涉及低特权环到高特权环的任务切换，都需要找到高特权环对应的栈，因此需要esp2，esp1，esp0起码三个esp，然而linux只使用esp0。

linux如何切换？

  1. linux没有为每一个进程都准备一个tss段，而是每一个cpu使用一个tss段，tr寄存器保存该段。进程切换时，只更新唯一tss段中的esp0字段，esp0保存新进程的内核栈地址。

  2. linux的tss段中只使用esp0和iomap等字段，不用它来保存寄存器，在一个用户进程被中断进入ring0的时候，tss中取出esp0，然后切到esp0，其它的寄存器则保存在esp0指示的内核栈上，而不保存在tss中。

  3. 结果，linux中每一个cpu只有一个tss段，tr寄存器永远指向它。符合x86处理器的使用规范，但不遵循intel的建议，这样的后果是开销更小了，因为不必切换tr寄存器了。

CPU切换过程过程

  • 读取tr寄存器，访问TSS段

  • 从TSS段中的esp0获取进程内核栈的栈顶指针

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

  • 由SAVE_ALL保存其寄存器的值到内核栈

  • 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。

参考文章

https://www.cnblogs.com/long123king/p/3501853.html

https://blog.betamao.me/posts/2021/linux-task-manage/

https://liujunming.top/2020/01/18/%E6%B5%85%E8%B0%88tss/

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