进程切换的本质是什么？

科技网编2023-02-27 10:343070

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进程切换的本质是什么？

出品 | 码农的荒岛求生（ID：escape-it）

已获得原公众号的授权转载

我们都知道操作系统最重要的功能之一是多任务能力，也就是可以运行超过CPU数量的程序——即进程，要想实现这一功能就必须具备将有限的CPU资源在多个进程之间分配的能力，在程序员看来，我们的程序在一直运行，而在CPU看来程序其实在“走走停停”，程序的一走一停就涉及到进程切换，那么进程切换的本质是什么呢？

从本质上讲，函数调用和进程切换是非常类似的，有的同学可能会有疑问，这怎么可能呢？别着急，看完这篇你就明白啦。

函数调用

我们先来看一下函数调用，函数调用是这样的，A函数调用B函数，当B函数执行完成时会跳转回A函数（此时A函数和B函数位于同一个进程）：

voidB( ) { ...}voidA( ) { ...}

这个过程是这样的：

进程切换的本质是什么？

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B函数执行完成后会将控制权转给A，所谓控制权是指告诉CPU继续执行函数A。

but，你有没有想过， A函数调用B函数，B函数执行完成时一定要跳转回A函数吗？不一定的，既然B函数可以将控制权转给A那么就能将控制权转给函数C。

听上去很神奇有没有，A函数调用B函数，当B函数执行完成时竟然可以跳转到C函数，可这该怎样做到呢？让我们来看一段神奇的代码。

一段神奇的代码

有这样一段代码：

# include<stdio.h># include<stdlib.h>

voidfuncC{ printf( "jump to funcC !!!\n") ; exit( -1) ; }

voidfuncB{ long*p = NULL; p = ( long*)&p ; *(p+ 2) = ( long)funcC ; }

voidfuncA{ funcB;}

intmain{ funcA ;return0; }

想一想这段代码运行后会输出什么？

有的同学可能会说main函数调用了funcA，funcA函数调用了funcB，funcB函数看上就是一堆赋值，执行完成后返回了funcA，funcA又返回main函数，因此执行完毕后什么都不会输出。

真的是这样的吗？让我们编译运行一下(小风哥使用的是5.2.0版gcc，64位机器，未开启编译优化，不同编译器版本运行效果可能不同)。

$ ./a. outjump to funcC !!!

有的同学也许会大吃一惊，这怎么可能！！！

这段明明没有调用funcC，可为什么funcC函数却运行了？

程序员经常说“代码之中没有秘密”，这句话不全对，应该是“ 机器指令中没有秘密”，后来我想了想，这句话也不全对，因为对我们来说CPU是如何执行机器指令这回事其实对我们来说是黑盒的，我们只能从大体的原理来说CPU是怎样执行一条机器指令的，但这里真正的细节只有处理器生产商比如intel/AMD等知道，而一些魔鬼恰恰就在这些细节中。

魔鬼在细节

扯远了，让我们回到这篇文章的主题，先来看看生成的机器指令是什么样的：

0000000000400586 <funcC>: 400586: 55push%rbp 400587: 4889e5 mov %rsp,%rbp 40058a: bf 74064000mov $0x400674,%edi 40058f: e8 bc fe ff ff callq 400450<puts@plt> 400594: bf ff ff ff ff mov $0xffffffff,%edi 400599: e8 e2 fe ff ff callq 400480< exit@plt>

000000000040059e <funcB>: 40059e: 55push%rbp 40059f: 4889e5 mov %rsp,%rbp 4005a2: 48c7 45f8 000000movq $0 x0,- 0x8(%rbp) 4005a9: 004005aa: 488d 45f8 lea - 0x8(%rbp),%rax 4005ae: 488945f8 mov %rax,- 0x8(%rbp) 4005b2: 488b 45f8 mov - 0x8(%rbp),%rax 4005b6: 4883c 010add $0x1 0,%rax 4005ba: ba 86054000mov $0x400586,%edx 4005bf: 488910mov %rdx,(%rax) 4005c2: 90nop 4005c3: 5d pop%rbp 4005c4: c3 retq

这些指令在说什么呢？

我们先来看普通的函数调用：

进程切换的本质是什么？