對Linux內核中進程上下文和中斷上下文的理解

內核空間和用戶空間是操作系統理論的基礎之一，即內核功能模塊運行在內核空間，而應用程序運行在用戶空間。現代的CPU都具有不同的操作模式，代表不同的級別，不同的級別具有不同的功能，在較低的級別中將禁止某些操作。Linux系統設計時利用了這種硬件特性，使用了兩個級別，最高級別和最低級別，內核運行在最高級別(內核態)，這個級別可以進行所有操作，而應用程序運行在較低級別(用戶態)，在這個級別，處理器控制著對硬件的直接訪問以及對內存的非授權訪問。內核態和用戶態有自己的內存映射，即自己的地址空間。

正是有了不同運行狀態的劃分，才有了上下文的概念。用戶空間的應用程序，如果想要請求系統服務，比如操作一個物理設備，或者映射一段設備空間的地址到用戶空間，就必須通過系統調用來(操作系統提供給用戶空間的接口函數)實現。如下圖所示：

通過系統調用，用戶空間的應用程序就會進入內核空間，由內核代表該進程運行于內核空間，這就涉及到上下文的切換，用戶空間和內核空間具有不同的地址映射，通用或專用的寄存器組，而用戶空間的進程要傳遞很多變量、參數給內核，內核也要保存用戶進程的一些寄存器、變量等，以便系統調用結束后回到用戶空間繼續執行，所謂的進程上下文，就是一個進程在執行的時候，CPU的所有寄存器中的值、進程的狀態以及堆棧中的內容，當內核需要切換到另一個進程時，它需要保存當前進程的所有狀態，即保存當前進程的進程上下文，以便再次執行該進程時，能夠恢復切換時的狀態，繼續執行。

同理，硬件通過觸發信號，導致內核調用中斷處理程序，進入內核空間。這個過程中，硬件的一些變量和參數也要傳遞給內核，內核通過這些參數進行中斷處理，中斷上下文就可以理解為硬件傳遞過來的這些參數和內核需要保存的一些環境，主要是被中斷的進程的環境。

Linux內核工作在進程上下文或者中斷上下文。提供系統調用服務的內核代碼代表發起系統調用的應用程序運行在進程上下文;另一方面，中斷處理程序，異步運行在中斷上下文。中斷上下文和特定進程無關。

運行在進程上下文的內核代碼是可以被搶占的(Linux2.6支持搶占)。但是一個中斷上下文，通常都會始終占有CPU(當然中斷可以嵌套，但我們一般不這樣做)，不可以被打斷。正因為如此，運行在中斷上下文的代碼就要受一些限制，不能做下面的事情：

1、睡眠或者放棄CPU。

這樣做的后果是災難性的，因為內核在進入中斷之前會關閉進程調度，一旦睡眠或者放棄CPU，這時內核無法調度別的進程來執行，系統就會死掉

2、嘗試獲得信號量

如果獲得不到信號量，代碼就會睡眠，會產生和上面相同的情況

3、執行耗時的任務

中斷處理應該盡可能快，因為內核要響應大量服務和請求，中斷上下文占用CPU時間太長會嚴重影響系統功能。

4、訪問用戶空間的虛擬地址

因為中斷上下文是和特定進程無關的，它是內核代表硬件運行在內核空間，所以在終端上下文無法訪問用戶空間的虛擬地址