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隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，操作系統(tǒng)也在不斷的發(fā)展?，F(xiàn)在的操作系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，功能也越來(lái)越強(qiáng)大。Linux操作系統(tǒng)是目前更受歡迎的開源操作系統(tǒng)之一。但是隨著計(jì)算機(jī)的性能不斷提高，硬件操作速度迅速增長(zhǎng)，對(duì)于操作系統(tǒng)提出了更高的要求。操作系統(tǒng)的核心部分是進(jìn)程管理，而進(jìn)程管理涉及到進(jìn)程切換。對(duì)于Linux操作系統(tǒng)而言，進(jìn)程切換最關(guān)鍵的問(wèn)題就是函數(shù)調(diào)用棧切換。因此，本文將會(huì)對(duì)Linux函數(shù)調(diào)用棧切換代價(jià)進(jìn)行分析，幫助我們更好地了解Linux操作系統(tǒng)。
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一、函數(shù)調(diào)用棧的概念與實(shí)現(xiàn)
在介紹Linux函數(shù)調(diào)用棧切換代價(jià)之前，我們首先必須了解什么是函數(shù)調(diào)用棧以及它的實(shí)現(xiàn)。
函數(shù)調(diào)用棧（Call Stack）是程序在運(yùn)行過(guò)程中用來(lái)存儲(chǔ)函數(shù)調(diào)用關(guān)系的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在函數(shù)調(diào)用時(shí)，會(huì)將調(diào)用者現(xiàn)場(chǎng)的信息保存在當(dāng)前棧幀中，然后將被調(diào)用函數(shù)的參數(shù)傳遞過(guò)去，同時(shí)被調(diào)用函數(shù)的返回地址等信息被保存在新的棧幀中，然后將控制權(quán)交給被調(diào)用函數(shù)。被調(diào)用函數(shù)執(zhí)行完畢之后，將返回地址等信息從棧幀中取出，恢復(fù)調(diào)用者現(xiàn)場(chǎng)，然后將控制權(quán)交回給調(diào)用者。整個(gè)過(guò)程是一個(gè)典型的棧結(jié)構(gòu)，因此被稱為函數(shù)調(diào)用棧。
在Linux中，函數(shù)調(diào)用棧是通過(guò)系統(tǒng)堆棧來(lái)實(shí)現(xiàn)的。具體而言，當(dāng)一個(gè)程序開始運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在進(jìn)程地址空間中分配一段區(qū)域作為棧區(qū)域，用于存放程序運(yùn)行時(shí)所需要的數(shù)據(jù)，包括函數(shù)調(diào)用產(chǎn)生的棧幀。這個(gè)棧區(qū)域通常在高地址向低地址生長(zhǎng)。當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，每次函數(shù)調(diào)用都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的棧幀，保存在棧區(qū)域的棧頂。棧幀包括函數(shù)調(diào)用時(shí)需要保存的現(xiàn)場(chǎng)信息，以及函數(shù)參數(shù)、返回值等信息。當(dāng)函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，棧幀被彈出，回收棧空間，控制返回到調(diào)用者函數(shù)。
二、函數(shù)調(diào)用棧的切換
函數(shù)調(diào)用棧是系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)必須維護(hù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之一，而進(jìn)程的上下文切換中，函數(shù)調(diào)用棧的切換也是非常重要的部分。上下文切換是指進(jìn)程在切換執(zhí)行時(shí)所保存的狀態(tài)信息。其中包括程序計(jì)數(shù)器、寄存器信息、進(jìn)程標(biāo)識(shí)符、內(nèi)存地址空間等信息。當(dāng)進(jìn)程發(fā)生切換時(shí)，系統(tǒng)要保存當(dāng)前進(jìn)程的上下文信息，切換到將要執(zhí)行的進(jìn)程的上下文信息。在Linux中，當(dāng)發(fā)生進(jìn)程切換時(shí)，需要保存當(dāng)前進(jìn)程的狀態(tài)到PCB（進(jìn)程控制塊）中，然后調(diào)度新的進(jìn)程開始執(zhí)行。
在進(jìn)行進(jìn)程切換時(shí)，需要涉及到函數(shù)調(diào)用棧的切換。具體而言，在進(jìn)程切換時(shí)需要保存當(dāng)前進(jìn)程棧幀的信息，同時(shí)恢復(fù)切換進(jìn)程的棧幀信息。這個(gè)過(guò)程需要將當(dāng)前進(jìn)程的棧幀狀態(tài)（如寄存器信息、局部變量、參數(shù)、返回值等）保存到當(dāng)前進(jìn)程的棧幀中，然后將棧幀彈出，保存到PCB中，最后恢復(fù)新進(jìn)程的棧幀信息。這個(gè)過(guò)程需要用到很多匯編指令，如push、pop等。因此，函數(shù)調(diào)用棧切換也是進(jìn)程切換代價(jià)的一部分。
三、函數(shù)調(diào)用棧切換代價(jià)分析
在分析函數(shù)調(diào)用棧切換代價(jià)時(shí)，我們需要考慮以下幾個(gè)方面。
1. 保存現(xiàn)場(chǎng)
在進(jìn)行進(jìn)程切換時(shí)，需要保存當(dāng)前進(jìn)程的運(yùn)行狀態(tài)信息。這些信息包括程序計(jì)數(shù)器、寄存器狀態(tài)、指令地址、進(jìn)程標(biāo)識(shí)符等。對(duì)于函數(shù)調(diào)用棧而言，保存現(xiàn)場(chǎng)就意味著需要將當(dāng)前進(jìn)程的棧幀信息保存到棧中。這些信息包括寄存器狀態(tài)、局部變量、參數(shù)等。在保存現(xiàn)場(chǎng)的過(guò)程中，需要消耗大量的時(shí)間和空間。
2. 切換棧幀
在進(jìn)程切換時(shí)，需要切換到新的進(jìn)程的棧幀。這個(gè)過(guò)程需要用到很多匯編指令，如push、pop等。在切換棧幀時(shí)，需要將當(dāng)前進(jìn)程的棧幀信息彈出，同時(shí)將新進(jìn)程的棧幀信息壓入棧中。這個(gè)過(guò)程需要涉及較多的匯編指令，也會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間和資源。
3. 內(nèi)存壓縮
在進(jìn)行函數(shù)調(diào)用棧切換時(shí)，需要對(duì)內(nèi)存進(jìn)行壓縮。這個(gè)過(guò)程需要保證新的棧幀能夠順利的添加到棧中，同時(shí)也需要保證棧的空間足夠。這個(gè)過(guò)程需要涉及到內(nèi)存中的大量數(shù)據(jù)的移動(dòng)和重組，因此也會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間和資源。
四、結(jié)論
在計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中，函數(shù)調(diào)用棧切換代價(jià)是進(jìn)程切換時(shí)必須要考慮的一個(gè)問(wèn)題。在Linux操作系統(tǒng)中，函數(shù)調(diào)用棧切換代價(jià)包括保存現(xiàn)場(chǎng)、切換棧幀和內(nèi)存壓縮等過(guò)程。這些過(guò)程需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和資源，因此我們需要盡可能地優(yōu)化這些過(guò)程，使其更大程度的降低系統(tǒng)的運(yùn)行代價(jià)。同時(shí)，我們也需要盡可能地避免進(jìn)程切換，減少函數(shù)調(diào)用棧切換過(guò)程帶來(lái)的開銷，從而提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。
相關(guān)問(wèn)題拓展閱讀：
- 嵌入式與Linux（五）：Linux線程
嵌入式與Linux（五）：Linux線程
姓名：王央京 學(xué)號(hào)：學(xué)院：電子工程學(xué)院
轉(zhuǎn)自：
【嵌牛導(dǎo)讀】本文介紹了Linux線程的相關(guān)信息
【嵌牛鼻子】Linux線程
【嵌牛提問(wèn)】在了解Linux系統(tǒng)后，能否具體介紹線程的概念？
【嵌牛正文】
類Unix系統(tǒng)中，早期是沒有“線程”概念的，80年代才引答握態(tài)入，借助進(jìn)程機(jī)制實(shí)現(xiàn)出了線程的概念。因此在這類系統(tǒng)中，進(jìn)程和線程關(guān)系密切。一個(gè)進(jìn)程可以有多個(gè)線程，這個(gè)進(jìn)程本身也叫做線程只不過(guò)是主線程。通常主線程分配任務(wù)給子線程做。程序設(shè)計(jì)時(shí)候就可以某一時(shí)刻不止做一件事情，每一個(gè)線程處理各自獨(dú)立的任務(wù)。
多個(gè)線程可以訪問(wèn)相同的存儲(chǔ)地址空間和文件描述符。同一進(jìn)程內(nèi)的線程共享以下數(shù)據(jù)：全局內(nèi)存、進(jìn)程指令、打開的文件、信號(hào)處理函數(shù)和信號(hào)處置、當(dāng)前工作目錄、用戶ID和用戶組ID、大多數(shù)數(shù)據(jù)。每個(gè)線程有各自的線程ID、寄存器（包括程序計(jì)數(shù)器和棧指針）、棧、errono、信號(hào)掩碼、優(yōu)先級(jí)。
線程的優(yōu)點(diǎn)有提高程序并發(fā)性、開銷小和數(shù)據(jù)通信、共享數(shù)據(jù)方便等。線程的缺點(diǎn)有庫(kù)函數(shù)不穩(wěn)定、調(diào)試編寫困難、gdb不支持、對(duì)信號(hào)支持不好等。除此之外，多線程內(nèi)如果其中一個(gè)線程出現(xiàn)了 除0、野指針 等問(wèn)題會(huì)造成該線程崩潰，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)進(jìn)程終止。同時(shí)，線程是進(jìn)程的執(zhí)行分支，線程出異常，就類似進(jìn)程出異常，進(jìn)而觸發(fā)信號(hào)機(jī)制，終止進(jìn)程，進(jìn)程終止，該進(jìn)程內(nèi)的所有線程也就隨即退出。
從上述分析來(lái)看，線程的優(yōu)點(diǎn)相對(duì)突出，缺點(diǎn)均不是硬傷。Linux下由于實(shí)現(xiàn)方法導(dǎo)致進(jìn)程、線程差別不是很大。
線程有一套完整的與其有關(guān)的函數(shù)庫(kù)調(diào)用，它們中的絕大多數(shù)函數(shù)名都以pthread_開頭。為了使用這些函數(shù)庫(kù)調(diào)用，我們必須定義宏_REENTRANT，在程序中包含頭文件pthread.h，并且在編譯程序皮嘩時(shí)需要用選項(xiàng)-lpthread來(lái)鏈接線程庫(kù)。其中常用的函數(shù)庫(kù)如下：
1. pthread_self函數(shù)獲取線程ID，其作用對(duì)應(yīng)進(jìn)程中g(shù)etpid()函數(shù)。
2. pthread_create函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)新線程，其作用對(duì)應(yīng)進(jìn)程中fork()函數(shù)。
3. pthread_exit函數(shù)將單個(gè)線程退出，其作用對(duì)應(yīng)進(jìn)程中exit()函數(shù)
4. pthread_join函數(shù)阻塞等待線程退出，獲取線程退出狀態(tài)其作用，對(duì)清源應(yīng)進(jìn)程中waitpid()函數(shù)。
5. pthread_cancel函數(shù)殺死(取消)線程其作用，對(duì)應(yīng)進(jìn)程中kill()函數(shù)。
6. pthread_detach函數(shù)實(shí)現(xiàn)線程分離。
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網(wǎng)站欄目：Linux函數(shù)調(diào)用棧切換代價(jià)分析(linux函數(shù)調(diào)用棧切換代價(jià))
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