資訊專欄INFORMATION COLUMN
摘要：也就是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的虛擬內(nèi)存空間。有在兩個(gè)進(jìn)程之間切換狀態(tài)的時(shí)候，需要把內(nèi)存的映射關(guān)系調(diào)整過來，否則虛擬內(nèi)存的地址是無法對應(yīng)到正確的物理地址的。但是原理是非常類似的。協(xié)程與線程的區(qū)別在于，協(xié)程的是在完全在用戶態(tài)，由語言的或者是庫來完成的。
TL;DR
筆者最美好的記憶來自于早年在6502 cpu的cc800上寫匯編的年代， 那個(gè)時(shí)代的計(jì)算機(jī)甚至沒有操作系統(tǒng)，也沒有實(shí)模式等保護(hù)機(jī)制。在6502上寫匯編應(yīng)用其實(shí)非常簡單，系統(tǒng)會把bin文件加載到一個(gè)固定的內(nèi)存地址中，cpu會固定地從一個(gè)特定的位置開始執(zhí)行。然后cpu就按照你提供的機(jī)器指令開始一條一條的執(zhí)行。在高級語言中的“函數(shù)調(diào)用”的概念，在匯編里主要體現(xiàn)為兩個(gè)寄存器。寄存器是cpu內(nèi)部臨時(shí)保存數(shù)據(jù)的區(qū)域，相當(dāng)于高級語言里的變量。但是有一個(gè)寄存器是特殊的，它存放了cpu當(dāng)前正在執(zhí)行的指令的內(nèi)存地址(Instruction Register)。一個(gè)高級語言中的函數(shù)一般會被編譯成指令存放在一段連續(xù)的內(nèi)存空間中（data segment）。那么所謂函數(shù)執(zhí)行到了第幾行這樣的信息其實(shí)就是保存在這個(gè)Instruction Register中的。另外一個(gè)很特殊的寄存器是Stack Register，它其中存放的內(nèi)存地址指向的內(nèi)存區(qū)域用于函數(shù)之間傳遞參數(shù)和返回值，以及存放一個(gè)函數(shù)內(nèi)的局部變量。如果不考慮現(xiàn)代計(jì)算機(jī)cpu中各種各樣其他存放中間結(jié)果的寄存器，理論上保存了Instruction Register（執(zhí)行到哪兒了）和Stack Register（堆棧上的變量）就保存了一個(gè)函數(shù)的當(dāng)前執(zhí)行狀態(tài)，分別是函數(shù)當(dāng)前執(zhí)行到了哪，以及這個(gè)函數(shù)局部變量所代表的當(dāng)前state。
事實(shí)上，操作系統(tǒng)的幾個(gè)關(guān)鍵切換也是這么來完成的。操作系統(tǒng)提供了兩個(gè)執(zhí)行態(tài)，一個(gè)是用戶態(tài)，一般我們的代碼都是執(zhí)行在用戶態(tài)的。另外一個(gè)是內(nèi)核態(tài)，像驅(qū)動(dòng)程序之類的代碼會用各種方式被加載到操作系統(tǒng)內(nèi)部執(zhí)行在內(nèi)核之中。內(nèi)核態(tài)里的代碼可以完全控制CPU的I/O中斷，從而可以和外部設(shè)備交互。用戶態(tài)的代碼屬于受限代碼，必須把I/O請求通過syscall交由運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)的操作系統(tǒng)來完成。當(dāng)一個(gè)cpu的核在執(zhí)行用戶態(tài)代碼時(shí)，其寄存器里存放的狀態(tài)是你的應(yīng)用的代碼的狀態(tài)，但是應(yīng)用要進(jìn)行I/O操作的時(shí)候，cpu要被切換到內(nèi)核的代碼里去執(zhí)行內(nèi)核態(tài)的代碼。這里就需要進(jìn)行一次context switch，所謂context switch其實(shí)原理不會比把寄存器的值存到內(nèi)存的一個(gè)地方，等回來的時(shí)候再把內(nèi)存中臨時(shí)保存的值加載回寄存器復(fù)雜多少。
操作系統(tǒng)還有一個(gè)需要進(jìn)行context switch的地方，那就是在協(xié)程與協(xié)程之間。操作系統(tǒng)在執(zhí)行一個(gè)ELF或者PE的可執(zhí)行文件的時(shí)候，對于這個(gè)可執(zhí)行文件內(nèi)的匯編代碼來說，整個(gè)內(nèi)存尋址空間是獨(dú)立的。也就是1.exe的執(zhí)行狀態(tài)完全無法感知到2.exe的執(zhí)行狀態(tài)的內(nèi)存。也就是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的虛擬內(nèi)存空間。有cpu在兩個(gè)進(jìn)程之間切換狀態(tài)的時(shí)候，需要把內(nèi)存的映射關(guān)系調(diào)整過來，否則虛擬內(nèi)存的地址是無法對應(yīng)到正確的物理地址的。一個(gè)進(jìn)程內(nèi)的兩個(gè)線成切換的時(shí)候，要稍微簡單一些，只需要把當(dāng)前線成正在執(zhí)行的位置和棧做切換就可以了。
無論是操作系統(tǒng)做user/kernel的switch，還是process/process，thread/thread的switch，其實(shí)現(xiàn)方式都是大同小異的。通過把“當(dāng)前執(zhí)行狀態(tài)”這樣的一個(gè)抽象概念落實(shí)為一個(gè)具體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲起來，然后指揮cpu在不同的場合加載不同的數(shù)據(jù)恢復(fù)不同的“當(dāng)前執(zhí)行狀態(tài)”。
在高級語言中，一個(gè)函數(shù)正在執(zhí)行的位置以及其狀態(tài)，內(nèi)部都可以有一個(gè)抽象的表達(dá)方式。有的高級語言直接被編譯成原生的機(jī)器碼，那么其執(zhí)行狀態(tài)的表述就和操作系統(tǒng)的context switch的context非常類似。有的高級語言自身執(zhí)行在一個(gè)虛擬機(jī)之上，那么其context的表述可能是虛擬機(jī)的instruction register和stack register，而不是80x86這樣原生的機(jī)器的物理寄存器。但是原理是非常類似的。
取決于語言設(shè)計(jì)者的覺悟，有的語言會把這種表達(dá)執(zhí)行狀態(tài)的能力直接提供出來，讓一個(gè)函數(shù)在執(zhí)行過程中可以把當(dāng)前狀態(tài)保存，然后把執(zhí)行權(quán)交給另外一個(gè)函數(shù)執(zhí)行，等那個(gè)函數(shù)放棄執(zhí)行權(quán)回來的時(shí)候再把保存的狀態(tài)恢復(fù)。這也就是所謂的協(xié)程（co-routine）。協(xié)程與線程的區(qū)別在于，協(xié)程的context switch是在完全在用戶態(tài)，由語言的runtime或者是庫來完成的。而線程的context switch則是操作系統(tǒng)來完成的。
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