进程上下文与中断上下文

最近学习驱动程序中总是发现在某些资料或书籍中提到进程上下文和中断上下文，但是又都没有讲解什么是上下文；因此笔者查阅资料补充了一下所谓的Linux上下文知识。(注：以下知识度娘而来)

 

上下文(context):

指文章或说话中与某一词语或文句相连的上文和下文：这个词的含义联系上下文不难理解。都不知道谁造出一个这么晦涩难懂的词的，翻译成语境和环境多好理解。

（注：以上是度娘对古代文人骚客创作该词的百科）

 

         LINUX完全注释中的一段话：当一个进程在执行时,CPU的所有寄存器中的值、进程的状态以及堆栈中的内容被称为该进程的上下文。当内核需要切换到另一个进程时，它需要保存当前进程的所有状态，即保存当前进程的上下文，以便在再次执行该进程时，能够必得到切换时的状态执行下去。在LINUX中，当前进程上下文均保存在进程的任务数据结构中。在发生中断时,内核就在被中断进程的上下文中，在内核态下执行中断服务例程。但同时会保留所有需要用到的资源，以便中继服务结束时能恢复被中断进程的执行。

由上面这段话知：

进程上下文：

当一个进程在执行时,CPU的所有寄存器中的值、进程的状态以及堆栈中的内容

一个进程的上下文可以分为三个部分:用户级上下文、寄存器上下文以及系统级上下文。
       用户级上下文: 正文、数据、用户堆栈以及共享存储区；
       寄存器上下文: 通用寄存器、程序寄存器(IP)、处理器状态寄存器(EFLAGS)、栈指针(ESP)；
       系统级上下文: 进程控制块task_struct、内存管理信息(mm_struct、vm_area_struct、pgd、pte)、内核栈。

当发生进程调度时，进行进程切换就是上下文切换(context switch).操作系统必须对上面提到的全部信息进行切换，新调度的进程才能运行。而系统调用进行的是模式切换(mode switch)。模式切换与进程切换比较起来，容易很多，而且节省时间，因为模式切换最主要的任务只是切换进程寄存器上下文的切换。

 

中断上下文：

当一个进程发生中断时，首先保存当前进程的上下文信息，然后跳转到中断子程序去执行，那么此时在中断子程序中又会产生当前堆栈及寄存器等值就称为

中断上下文。

内核进入中断上下文是因为中断信号而导致的中断处理或软中断。而中断信号的发生是随机的，中断处理程序及软中断并不能事先预测发生中断时当前运行的是哪个进程。

 

 

处理器总处于以下状态中的一种：
１、内核态，运行于进程上下文，内核代表进程运行于内核空间；
２、内核态，运行于中断上下文，内核代表硬件运行于内核空间；
３、用户态，运行于用户空间。

内核可以处于两种上下文：进程上下文和中断上下文。在系统调用之后，用户应用程序进入内核空间，此后内核空间针对用户空间相应进程的代表就运行于进程上下文。异步发生的中断会引发中断处理程序被调用，中断处理程序就运行于中断上下文。中断上下文和进程上下文不可能同时发生。

 

运行于进程上下文的内核代码是可抢占的，但中断上下文则会一直运行至结束，不会被抢占。因此，内核会限制中断上下文的工作，不允许其执行如下操作：

1) 进入睡眠状态或主动放弃CPU;

由于中断上下文不属于任何进程，它与current没有任何关系（尽管此时current指向被中断的进程），所以中断上下文一旦睡眠或者放弃CPU，将无法被唤醒。所以也叫原子上下文（atomic context）。

 

2) 占用互斥体;

为了保护中断句柄临界区资源，不能使用互斥锁（mutexes）。如果获得不到信号量，代码就会睡眠，会产生和上面相同的情况，如果必须使用锁，则使用自旋锁（spinlock）。

 

3) 执行耗时的任务;

中断处理应该尽可能快，因为内核要响应大量服务和请求，中断上下文占用CPU时间太长会严重影响系统功能。在中断处理例程中执行耗时任务时，应该交由中断处理例程底半部来处理。

 

4) 访问用户空间虚拟内存。

因为中断上下文是和特定进程无关的，它是内核代表硬件运行在内核空间，所以在中断上下文无法访问用户空间的虚拟地址

 

5) 中断处理例程不应该设置成reentrant（可被并行或递归调用的例程）。

因为中断发生时，preempt和irq都被disable，直到中断返回。所以中断上下文和进程上下文不一样，中断处理例程的不同实例，是不允许在SMP上并发运行的。

 

6)中断处理例程可以被更高级别的IRQ中断。

如果想禁止这种中断，可以将中断处理例程定义成快速处理例程，相当于告诉CPU，该例程运行时，禁止本地CPU上所有中断请求。这直接导致的结果是，由于其他中断被延迟响应，系统性能下降。

 

 

（注：尽管内核模块不象应用程序一样顺序执行, 内核做的大部分动作是代表一个特定进程的. 内核代码可以引用当前进程, 通过存取全局项 current, 它在 <asm/current.h> 中定义, 它产生一个指针指向结构 task_struct, 在 <linux/sched.h> 定义. current 指针指向当前在运行的进程. 在一个系统调用执行期间, 例如 open 或者 read, 当前进程是发出调用的进程. 内核代码可以通过使用 current 来使用进程特定的信息, 如果它需要这样.）