进程切换的本质是什么？

大家好，我是小风哥。

我们都知道操作系统最重要的功能之一是多任务能力，也就是可以运行超过CPU数量的程序——即进程，要想实现这一功能就必须具备将有限的CPU资源在多个进程之间分配的能力，在程序员看来，我们的程序在一直运行，而在CPU看来程序其实在“走走停停”，程序的一走一停就涉及到进程切换，那么进程切换的本质是什么呢？

从本质上讲，函数调用和进程切换是非常类似的，有的同学可能会有疑问，这怎么可能呢？别着急，看完这篇你就明白啦。

函数调用

我们先来看一下函数调用，函数调用是这样的，A函数调用B函数，当B函数执行完成时会跳转回A函数（此时A函数和B函数位于同一个进程）：

void B() {
    ...
}
void A() {
    ...
}

这个过程是这样的：

B函数执行完成后会将控制权转给A，所谓控制权是指告诉CPU继续执行函数A。

but，你有没有想过，A函数调用B函数，B函数执行完成时一定要跳转回A函数吗？不一定的，既然B函数可以将控制权转给A那么就能将控制权转给函数C。

听上去很神奇有没有，A函数调用B函数，当B函数执行完成时竟然可以跳转到C函数，可这该怎样做到呢？让我们来看一段神奇的代码。

一段神奇的代码

有这样一段代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void funcC() {
    printf("jump to funcC !!!\n") ;
    exit(-1) ;
}

void funcB() {
    long *p = NULL ;
    p = (long*)&p ;
    *(p+2) = (long)funcC ;
}

void funcA() {
  funcB();
}

int main() {
    funcA() ;
    return 0 ;
}

想一想这段代码运行后会输出什么？

有的同学可能会说main函数调用了funcA，funcA函数调用了funcB，funcB函数看上就是一堆赋值，执行完成后返回了funcA，funcA又返回main函数，因此执行完毕后什么都不会输出。

真的是这样的吗？让我们编译运行一下(小风哥使用的是5.2.0版gcc，64位机器，未开启编译优化，不同编译器版本运行效果可能不同)。

$ ./a.out
jump to funcC !!!

有的同学也许会大吃一惊，这怎么可能！！！

这段明明没有调用funcC，可为什么funcC函数却运行了？

程序员经常说“代码之中没有秘密”，这句话不全对，应该是“机器指令中没有秘密”，后来我想了想，这句话也不全对，因为对我们来说CPU是如何执行机器指令这回事其实对我们来说是黑盒的，我们只能从大体的原理来说CPU是怎样执行一条机器指令的，但这里真正的细节只有处理器生产商比如intel/AMD等知道，而一些魔鬼恰恰就在这些细节中。

魔鬼在细节

扯远了，让我们回到这篇文章的主题，先来看看生成的机器指令是什么样的：

0000000000400586 <funcC>:
  400586:       55                      push   %rbp
  400587:       48 89 e5                mov    %rsp,%rbp
  40058a:       bf 74 06 40 00          mov    $0x400674,%edi
  40058f:       e8 bc fe ff ff          callq  400450 <puts@plt>
  400594:       bf ff ff ff ff          mov    $0xffffffff,%edi
  400599:       e8 e2 fe ff ff          callq  400480 <exit@plt>

000000000040059e <funcB>:
  40059e:       55                      push   %rbp
  40059f:       48 89 e5                mov    %rsp,%rbp
  4005a2:       48 c7 45 f8 00 00 00    movq   $0x0,-0x8(%rbp)
  4005a9:       00 
  4005aa:       48 8d 45 f8             lea    -0x8(%rbp),%rax
  4005ae:       48 89 45 f8             mov    %rax,-0x8(%rbp)
  4005b2:       48 8b 45 f8             mov    -0x8(%rbp),%rax
  4005b6:       48 83 c0 10             add    $0x10,%rax
  4005ba:       ba 86 05 40 00          mov    $0x400586,%edx
  4005bf:       48 89 10                mov    %rdx,(%rax)
  4005c2:       90                      nop
  4005c3:       5d                      pop    %rbp
  4005c4:       c3                      retq

这些指令在说什么呢？

我们先来看普通的函数调用：

当函数B执行完毕后此时的栈帧为：

函数B的最后一条机器指令通常为：ret，这条指令的目的是将当前栈顶的内容弹出到%rip寄存器中，CPU会根据rip中的值从内存中取出指令并执行，显然ret指令会将之前保存的返回地址放入rip寄存器中，这样CPU就可以继续执行A函数中的后续代码了，也就是++a这行代码。

有的同学可能已经看出来，如果我们有办法修改A栈帧上的返回地址不就能实现“指哪打哪”了吗？

实际上代码中“*(p+2) = (long)funcC ;”这行会将本来指向funcB的返回地址修改为指向funcC，即：

这样当funcB函数运行完成后会直接跳转到funcC函数，从而实现可控的执行流切换，进程切换的本质与此别无二致，只不过进程切换需要连带着把栈也切换过去(以及地址空间)，同时还会保存被切换进程的上下文。

有的同学可能已经看出来了，上述过程叫做缓冲区溢出攻击，要实现的目的和进程切换一样：实现控制权的转移，只不过缓冲区溢出攻击是非法的，不符合预期的(符合黑客的预期，但不符合操作系统设计者制定的游戏规则)，而进程切换是合法的，符合预期的(符合操作系统设计者的预期)。

而有时，(真正意义上的)黑客与操作系统设计者其实是一伙人。

怎么样，现在你应该对进程切换有较为直观的认知了吧，当然真实的进程切换绝不像这里讲解的这样简单，如果你对操作系统感兴趣那么小风哥自己写的书《深入理解操作系统》绝不能错过。

好啦，这个话题就到这里，希望对大家理解操作系统有所帮助。

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