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context switch in user-level

要完成C functions的context switch要如何實現呢？我的初步想法是要透過組合語言，完成一個context_save()，將對應的EIP, ESP, EBP以及IA32 ABI所規定的暫存器保存起來(其他CPU架構會有類似的規範)，然後再完成另一個context_restore()，可以將指定的context恢復，然後就可依此實現出context_switch(cur_contxt, next_context)，就像專業嵌入式軟件開發一書所示範的一樣。

在Linux中可以直接採用getcontext(), setcontext(), makecontext()以及swapcontext()來完成這個工作。在man page中，甚至還附了一個簡單的範例，wikipedia也有一篇文章說明。

這篇文章主要是因為我對於man page與wikipedia的說明一開始有點不清楚，所以將man page的範例程式稍作修改，確認一下自己的理解無誤。由於這幾個functions的執行路徑並不是那麼的sequential，所以紀錄下來，免得自己以後忘記。:P

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

static ucontext_t uctx_main, uctx_func1, uctx_func2;

#define handle_error(msg) \
        do { perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); } while (0)

static void func1(void)
{
        printf("func1: started\n");
        printf("func1: swapcontext(&uctx_func1, &uctx_func2)\n");
        if (swapcontext(&uctx_func1, &uctx_func2) == -1)
                handle_error("swapcontext");
        printf("func1: returning\n");
}

static void func2(void)
{
        printf("func2: started\n");
        printf("func2: swapcontext(&uctx_func2, &uctx_func1)\n");
        if (swapcontext(&uctx_func2, &uctx_func1) == -1) 
                handle_error("swapcontext");
        printf("func2: returning\n");       

}           

int  main(int argc, char *argv[])
{                                    
        char func1_stack[16384];     
        char func2_stack[16384];
            
        getcontext(&uctx_main);
   
        if (getcontext(&uctx_func1) == -1)
                handle_error("getcontext");
        uctx_func1.uc_stack.ss_sp = func1_stack;
        uctx_func1.uc_stack.ss_size = sizeof(func1_stack);
        uctx_func1.uc_link = &uctx_main;
        makecontext(&uctx_func1, func1, 0);

        if (getcontext(&uctx_func2) == -1)
                handle_error("getcontext");
        uctx_func2.uc_stack.ss_sp = func2_stack;
        uctx_func2.uc_stack.ss_size = sizeof(func2_stack);
        /* Successor context is f1(), unless argc > 1 */
        uctx_func2.uc_link = &uctx_func1;
        makecontext(&uctx_func2, func2, 0);

        printf("main: swapcontext(&uctx_main, &uctx_func2)\n");
        if (setcontext(&uctx_func2) == -1)
                handle_error("swapcontext");

        printf("main: exiting\n");
        exit(EXIT_SUCCESS);
}

  • L34：getcontext()會在"第一次"呼叫時將uctx_main初始化。
  • L36 - L41：設定uctx_func1，讓func1的context存於uctx_func1中，並指定function執行結束後的下一個context是uctx_main。
  • L43 - L49：設定uctx_func2，讓func2的context存於uctx_func2中，並指定function執行結束後的下一個context是uctx_func2。
  • L52：將context切換到uctx_func2，於是func2開始執行。
  • L23：func2執行到L23後，切換到func1的context，於是func1開始執行。
  • L14：func1執行到L14後，又切回func2的context，於是func2之前的context，func2進行函式退出動作，退出後func2，由於有指定func2執行完後要切換到func1的context，於是回到func1。
  • L16：退出func1，由於有指定func1執行完後的下一個context，所以跳到main function的context
有趣的是，此時main function的context在那邊呢？在L34的getcontext()！！

getcontext()等於是一個標記，只要返回到該main context，就會直接返回到L34。於是上述流程再次執行，如下的輸出便不斷出現：

main: swapcontext(&uctx_main, &uctx_func2)
func2: started
func2: swapcontext(&uctx_func2, &uctx_func1)
func1: started
func1: swapcontext(&uctx_func1, &uctx_func2)
func2: returning
func1: returning
main: swapcontext(&uctx_main, &uctx_func2)
func2: started
func2: swapcontext(&uctx_func2, &uctx_func1)
...

有趣吧？連一行while都沒有，就可以讓多個functions輪流不斷執行，如果再加上執行期動態調整切換的context，就等於有了一個task scheduler。:-)

有什麼應用需要使用context switch呢？可多了~尤其是當我們要實現某些語言沒有內建的功能來簡化編程模型時，像是coroutine、multitasking...，就算已有現成的程式庫可用，但了解一下其實現原理也蠻有趣的。
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