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隨著計算機的發(fā)展，操作系統(tǒng)也在不斷的發(fā)展?，F(xiàn)在的操作系統(tǒng)越來越復(fù)雜，功能也越來越強大。Linux操作系統(tǒng)是目前更受歡迎的開源操作系統(tǒng)之一。但是隨著計算機的性能不斷提高，硬件操作速度迅速增長，對于操作系統(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。對于Linux操作系統(tǒng)而言，進(jìn)程切換最關(guān)鍵的問題就是函數(shù)調(diào)用棧切換。因此，本文將會對Linux函數(shù)調(diào)用棧切換代價進(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)用棧的概念與實現(xiàn)
在介紹Linux函數(shù)調(diào)用棧切換代價之前，我們首先必須了解什么是函數(shù)調(diào)用棧以及它的實現(xiàn)。
函數(shù)調(diào)用棧（Call Stack）是程序在運行過程中用來存儲函數(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，會將調(diào)用者現(xiàn)場的信息保存在當(dāng)前棧幀中，然后將被調(diào)用函數(shù)的參數(shù)傳遞過去，同時被調(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，然后將控制權(quán)交回給調(diào)用者。整個過程是一個典型的棧結(jié)構(gòu)，因此被稱為函數(shù)調(diào)用棧。
在Linux中，函數(shù)調(diào)用棧是通過系統(tǒng)堆棧來實現(xiàn)的。具體而言，當(dāng)一個程序開始運行時，系統(tǒng)會在進(jìn)程地址空間中分配一段區(qū)域作為棧區(qū)域，用于存放程序運行時所需要的數(shù)據(jù)，包括函數(shù)調(diào)用產(chǎn)生的棧幀。這個棧區(qū)域通常在高地址向低地址生長。當(dāng)程序運行時，每次函數(shù)調(diào)用都會產(chǎn)生一個新的棧幀，保存在棧區(qū)域的棧頂。棧幀包括函數(shù)調(diào)用時需要保存的現(xiàn)場信息，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?？臻g，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)在運行時必須維護(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)行時所保存的狀態(tài)信息。其中包括程序計數(shù)器、寄存器信息、進(jìn)程標(biāo)識符、內(nèi)存地址空間等信息。當(dāng)進(jìn)程發(fā)生切換時，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，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，需要涉及到函數(shù)調(diào)用棧的切換。具體而言，在進(jìn)程切換時需要保存當(dāng)前進(jìn)程棧幀的信息，同時恢復(fù)切換進(jìn)程的棧幀信息。這個過程需要將當(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。這個過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)程切換代價的一部分。
三、函數(shù)調(diào)用棧切換代價分析
在分析函數(shù)調(diào)用棧切換代價時，我們需要考慮以下幾個方面。
1. 保存現(xiàn)場
在進(jìn)行進(jìn)程切換時，需要保存當(dāng)前進(jìn)程的運行狀態(tài)信息。這些信息包括程序計數(shù)器、寄存器狀態(tài)、指令地址、進(jìn)程標(biāo)識符等。對于函數(shù)調(diào)用棧而言，保存現(xiàn)場就意味著需要將當(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)場的過程中，需要消耗大量的時間和空間。
2. 切換棧幀
在進(jìn)程切換時，需要切換到新的進(jìn)程的棧幀。這個過程需要用到很多匯編指令，如push、pop等。在切換棧幀時，需要將當(dāng)前進(jìn)程的棧幀信息彈出，同時將新進(jìn)程的棧幀信息壓入棧中。這個過程需要涉及較多的匯編指令，也會耗費大量的時間和資源。
3. 內(nèi)存壓縮
在進(jìn)行函數(shù)調(diào)用棧切換時，需要對內(nèi)存進(jìn)行壓縮。這個過程需要保證新的棧幀能夠順利的添加到棧中，同時也需要保證棧的空間足夠。這個過程需要涉及到內(nèi)存中的大量數(shù)據(jù)的移動和重組，因此也會耗費大量的時間和資源。
四、結(jié)論
在計算機操作系統(tǒng)中，函數(shù)調(diào)用棧切換代價是進(jìn)程切換時必須要考慮的一個問題。在Linux操作系統(tǒng)中，函數(shù)調(diào)用棧切換代價包括保存現(xiàn)場、切換棧幀和內(nèi)存壓縮等過程。這些過程需要耗費大量的時間和資源，因此我們需要盡可能地優(yōu)化這些過程，使其更大程度的降低系統(tǒng)的運行代價。同時，我們也需要盡可能地避免進(jìn)程切換，減少函數(shù)調(diào)用棧切換過程帶來的開銷，從而提高系統(tǒng)的運行效率。
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嵌入式與Linux（五）：Linux線程
姓名：王央京 學(xué)號：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】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)程機制實現(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。一個進(jìn)程可以有多個線程，這個進(jìn)程本身也叫做線程只不過是主線程。通常主線程分配任務(wù)給子線程做。程序設(shè)計時候就可以某一時刻不止做一件事情，每一個線程處理各自獨立的任務(wù)。
多個線程可以訪問相同的存儲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、信號處理函數(shù)和信號處置、當(dāng)前工作目錄、用戶ID和用戶組ID、大多數(shù)數(shù)據(jù)。每個線程有各自的線程ID、寄存器（包括程序計數(shù)器和棧指針）、棧、errono、信號掩碼、優(yōu)先級。
線程的優(yōu)點有提高程序并發(fā)性、開銷小和數(shù)據(jù)通信、共享數(shù)據(jù)方便等。線程的缺點有庫函數(shù)不穩(wěn)定、調(diào)試編寫困難、gdb不支持、對信號支持不好等。除此之外，多線程內(nèi)如果其中一個線程出現(xiàn)了 除0、野指針 等問題會造成該線程崩潰，進(jìn)而導(dǎo)致整個進(jìn)程終止。同時，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)信號機制，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。
從上述分析來看，線程的優(yōu)點相對突出，缺點均不是硬傷。Linux下由于實現(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需要用選項-lpthread來鏈接線程庫。其中常用的函數(shù)庫如下：
1. pthread_self函數(shù)獲取線程ID，其作用對應(yīng)進(jìn)程中g(shù)etpid()函數(shù)。
2. pthread_create函數(shù)創(chuàng)建一個新線程，其作用對應(yīng)進(jìn)程中fork()函數(shù)。
3. pthread_exit函數(shù)將單個線程退出，其作用對應(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，對應(yīng)進(jìn)程中kill()函數(shù)。
6. pthread_detach函數(shù)實現(xiàn)線程分離。
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網(wǎng)站題目：Linux函數(shù)調(diào)用棧切換代價分析(linux函數(shù)調(diào)用棧切換代價)
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