Linux從頭學(xué)：理解了這三個(gè)概念，才能徹底理解【任務(wù)管理】和【任務(wù)切換】

作者：道哥 2021-09-07 07:55:22

系統(tǒng) Linux

操作系統(tǒng)需要為每一個(gè)應(yīng)用程序，單獨(dú)申請(qǐng)一塊空間，用作這個(gè)程序自己的段描述附表，稱作：LDT(Local Description Table)。

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LDT：局部描述符表
TSS: 任務(wù)狀態(tài)段
TCB: 任務(wù)控制塊

x86 系統(tǒng)中的保護(hù)模式，給系統(tǒng)的安全性提供了很大的保障，但是在我們之前的文章中，一直都淡化了特權(quán)級(jí)別這個(gè)概念。

例如：在保護(hù)模式下的段選擇器，我們一直都只把它看做一個(gè)段描述符的"索引號(hào)"，用來在 GDT (全局描述描述符表) 中查找一個(gè)段描述符，例如：

圖中：代碼段寄存器中的索引號(hào)是 4 ，GDT 中每一個(gè)表項(xiàng)占用 4 個(gè)字節(jié)，于是就在偏移量為 16 的位置，找到了代碼段的描述符，進(jìn)而從描述符中找到代碼段的起始地址和長度界限。

數(shù)據(jù)段、棧段的操作過程也是這樣的。

從現(xiàn)在開始，我們需要讓用戶程序擁有自己私有的描述符表 LDT(Local Descriptor Table)，并且擁有自己的特權(quán)級(jí)別(總不能讓用戶程序與操作系統(tǒng)一樣，工作在非常高的 0 特權(quán)級(jí)別)。

因此，我們需要糾正之前的錯(cuò)誤：段寄存器中，不僅僅有段的索引號(hào)，還有另外兩個(gè)屬性：TI 和 RPL，如下圖所示：

TI 標(biāo)志位：表示到哪個(gè)表中(GDT or LDT)查找描述符;
TI = 0: 到 GDT 中查找描述符;
TI = 1: 到 LDT 中查找描述符;
RPL(Request Privilege Level) 標(biāo)志位：表示想給段寄存器賦值的請(qǐng)求者(也就是一段代碼)，它的特權(quán)級(jí)別;

此時(shí)，繼續(xù)把段寄存器中的內(nèi)容稱作段索引符就不合適了，一般稱作：選擇子。

LDT：局部描述符表

在上一篇文章中，操作系統(tǒng)把應(yīng)用程序從硬盤讀取到內(nèi)存中之后，為應(yīng)用程序創(chuàng)建了三個(gè)段描述符，這三個(gè)段描述符都放在了 GDT 表中，這是不合理的。

首先，在多任務(wù)系統(tǒng)中，應(yīng)用程序的數(shù)量是不確定的，應(yīng)用程序也會(huì)執(zhí)行結(jié)束。

如果把所有應(yīng)用程序的段描述符都放在 GDT 中，對(duì)于操作系統(tǒng)來說，管理這個(gè)數(shù)據(jù)太復(fù)雜。

其次，當(dāng)引入特權(quán)級(jí)別之后，如果應(yīng)用程序的段描述符放在 GDT 中，那么就意味著應(yīng)用程序需要有權(quán)限來訪問 GDT，而 x86 系統(tǒng)中只有一個(gè) GDT(所以叫做 Global Description Table)，只能被操作系統(tǒng)訪問。

因此，操作系統(tǒng)需要為每一個(gè)應(yīng)用程序，單獨(dú)申請(qǐng)一塊空間，用作這個(gè)程序自己的段描述附表，稱作：LDT(Local Description Table)。

例如：現(xiàn)在系統(tǒng)中有 2 個(gè)用戶程序: APP1 和 APP2，操作系統(tǒng)在加載每一個(gè)應(yīng)用程序的時(shí)候，就會(huì)在應(yīng)用程序自己的內(nèi)存空間中，申請(qǐng)一塊，用作 LDT：

為什么是 “應(yīng)用程序自己的內(nèi)存空間”?
因?yàn)槊恳粋€(gè)應(yīng)用程序，都獨(dú)享 4G 大小的虛擬內(nèi)存空間。

在 LDT 中，存放著當(dāng)前應(yīng)用程序自己的段描述符信息，例如：代碼段、數(shù)據(jù)段、棧段。

LDT 所占用的空間也屬于內(nèi)存的一部分，有起始地址和長度界限，因此也需要為它創(chuàng)建一個(gè)段描述符，這個(gè)描述符就放在 GDT 中。

在 Linux 應(yīng)用層，我們會(huì)嚴(yán)格的區(qū)分進(jìn)程、線程，但是在系統(tǒng)的底層，這樣的區(qū)分界限已經(jīng)比較模糊了，用任務(wù) task 來稱呼更通用些。

根據(jù)剛才的假設(shè)，現(xiàn)在系統(tǒng)中有 2 個(gè)用戶程序，那么處理器怎么知道：當(dāng)前正在執(zhí)行的是哪一個(gè)應(yīng)用程序的 LDT 中的代碼?

正如處理器中有一個(gè)寄存器 GDTR，保存著 GDT 的開始地址和長度，處理器中還有一個(gè)寄存器 LDTR，存儲(chǔ)著當(dāng)前正在執(zhí)行的那個(gè)應(yīng)用程序的 LDT 開始地址和長度：

所有應(yīng)用程序的虛擬內(nèi)存的高端地址部分，映射的都是操作系統(tǒng)的內(nèi)存空間，按照 Linux 中的做法，3G ~ 4G 空間被操作系統(tǒng)使用。

圖中的綠色部分，表示操作系統(tǒng)空間(1G)，在分頁機(jī)制下，它們都映射到相同的物理內(nèi)存頁上(藍(lán)色虛線箭頭)。

當(dāng)操作系統(tǒng)切換到應(yīng)用程序2時(shí)，處理器中的 LDTR 就會(huì)被賦值為應(yīng)用程序2 的 LDT 的線性地址和長度信息。

GDTR 中的內(nèi)容不變，因?yàn)槊總€(gè)應(yīng)用程序中的 GDT 都是從操作系統(tǒng)“繼承”而來的，開始地址和長度都是一樣的。

TSS: 任務(wù)狀態(tài)段

顧名思義，任務(wù)狀態(tài)段就是用來存儲(chǔ)和恢復(fù)任務(wù)的狀態(tài)信息。

經(jīng)常聽到一個(gè)術(shù)語：任務(wù)上下文。

所謂的上下文，就是體現(xiàn)一個(gè)任務(wù)正在被執(zhí)行時(shí)的環(huán)境信息，主要就是處理器中的各種寄存器內(nèi)容，也就是下面這張圖中的寄存器們：

這張圖反映了一個(gè)任務(wù)上下文的所有寄存器信息。

當(dāng)任務(wù)被調(diào)度器中止執(zhí)行之前，需要把這些寄存器中的值都保存下來，相當(dāng)于做一個(gè)快照。

當(dāng)這個(gè)任務(wù)以后又被恢復(fù)執(zhí)行時(shí)，再把這個(gè)快照中保存的信息，原樣的賦值給圖中的所有寄存器，這樣就稱作恢復(fù)任務(wù)上下文，這個(gè)任務(wù)就從上次被中止的地方繼續(xù)執(zhí)行(因?yàn)橹噶钪羔樇拇嫫? EIP 被恢復(fù)了)。