内核栈有什么用？

Question

以下是我读到的关于进程 A 和进程 B 之间的上下文切换的描述。我不明白内核堆栈的用途。假设有一个每个进程的内核堆栈。我正在阅读的描述谈到将 A 的寄存器保存到 A 的内核堆栈中，并将 A 的寄存器保存到 A 的进程结构中。将寄存器保存到内核堆栈和进程结构到底有什么意义？为什么两者都需要？

上下文切换在概念上很简单：操作系统所要做的就是保存 当前正在执行的进程的一些寄存器值（到它的 内核堆栈，例如）并为 即将执行的进程（来自其内核堆栈）。通过这样做， 操作系统因此确保当从陷阱返回指令最终 执行，而不是返回到正在运行的进程， 系统恢复执行另一个进程...

进程 A 正在运行，然后被定时器中断中断。 硬件保存它的寄存器（到它的内核栈上）并进入 内核（切换到内核模式）。在定时器中断处理程序中， 操作系统决定从正在运行的进程 A 切换到进程 B。 点，它调用 switch() 例程，它小心地保存当前 寄存器值（进入A的进程结构），恢复 进程 B 的寄存器（来自其进程结构条目），然后 切换上下文，特别是通过更改要使用的堆栈指针 B 的内核堆栈（而不是 A 的）。最后，操作系统从陷阱中返回， 这会恢复 B 的寄存器并开始运行它。

Answer 1

我对第二段有不同意见。

进程 A 正在运行，然后被定时器中断中断。硬件保存它的寄存器（到它的内核堆栈上）并进入内核（切换到内核模式）。

我不知道有一个系统会在中断时将所有寄存器保存在内核堆栈上。程序计数器、处理器状态和堆栈指针（假设硬件没有单独的内核模式堆栈指针）。通常，处理器在中断后将所需的最小值保存在内核堆栈上。然后，中断处理程序将保存它想要使用的任何其他寄存器，并在退出前恢复它们。处理器的 RETURN FROM INTERRUPT 或 EXCEPTION 指令然后恢复由中断自动存储的寄存器。

该描述假定流程没有变化。

如果中断句柄决定改变进程，它会保存当前的寄存器状态（“进程上下文”——大多数处理器为此只有一条指令。在英特尔领域，您可能必须使用多条指令）然后执行另一个加载新进程的进程上下文的指令。

要回答您的标题问题“内核堆栈用于什么？”，只要处理器处于内核模式，就会使用它。如果内核没有防止用户访问的堆栈，系统的完整性可能会受到损害。内核堆栈往往非常小。

回答您的第二个问题，“将寄存器同时保存到内核堆栈和进程结构的意义何在？为什么两者都需要？”

它们有两个不同的目的。内核堆栈上保存的寄存器用于退出内核模式。上下文进程块保存整个寄存器集以更改进程。

我认为您的误解来自您的来源的措辞，即当进入内核模式时，所有寄存器都存储在堆栈中，而不仅仅是进行内核模式切换所需的最小数量的寄存器。系统通常只会保存返回到用户模式所需的内容（并且可能使用相同的信息在另一个上下文切换中返回到原始进程，具体取决于系统）。进程上下文的变化保存了所有的寄存器。

编辑以回答其他问题：

如果中断处理程序需要使用未被中断自动保存的寄存器，它会在进入时将它们压入内核堆栈，并在退出时将它们弹出。中断处理程序必须显式保存和恢复它使用的任何 [通用] 寄存器。 Process Context Block 不会因此而受到影响。

进程上下文块仅作为实际上下文切换的一部分进行更改。

例子：

假设我们有一个带有程序计数器、堆栈指针、处理器状态和 16 个通用寄存器的处理器（我知道不存在这样的系统），并且所有模式都使用相同的 SP。

1. 发生中断。

硬件将 PC、SP 和 PS 推入堆栈，将内核模式堆栈的地址和来自中断处理程序（来自处理器的调度表）的 PC 加载到 SP。

1. 中断处理程序被调用。

处理程序的编写者决定他要去我们 R0-R3。所以处理程序的第一行有：

Push R0  ; on to the kernel mode stack
Push R1
Push R2
Push R3

1. 中断处理程序做它想做的任何事情。

2. 清理

中断处理程序的编写者需要做的：

Pop R3
Pop R2
Pop R1
Pop R0 
REI      ; Whatever the system's return from interrupt or exception instruction is.

5. 硬件接管

从内核模式堆栈中恢复 PS、PC 和 SP，然后从中断前的位置恢复执行。

为简化起见，我已经制作了自己的处理器。一些处理器具有可中断的冗长指令（例如块字符移动）。此类指令通常使用寄存器来维护它们的上下文。在这样的系统上，处理器必须自动保存所有用于维护指令上下文的寄存器。

除非正在更改进程，否则中断处理程序不会混淆进程上下文块。

Answer 2

很难笼统地谈论操作系统“幕后”的工作方式，因为它取决于硬件的工作方式。此外，术语不是高度标准化的。

我的猜测是，通过“流程结构条目”，作者的意思是通常称为流程的“上下文”，其中包含每个寄存器的副本。中断代码不可能立即将寄存器保存到此结构中，因为这样做必须使用（并因此修改）寄存器。这就是为什么它必须保存一些寄存器，足以让它可以在某个立即可用的地方完成这项工作，例如堆栈指针指向的位置，作者称之为“内核堆栈”。

根据架构，这可能是单个堆栈或每个进程单独的堆栈。