Libco协程切换的原理

╰半夏微凉° 2022-03-11 02:54 262阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *   *  函数调用的原理
         *   *   *  linux 程序内存布局
                 *  栈帧定义与函数调用
                 *  两个寄存器
                 *  其他：
                 *  栈帧
                 *  x86\_64架构下gnu编译器c/cpp函数调用解析：
                 *  每一次函数调用都是一个栈帧
                 *  函数调用流程：
         *  coctx\_swap.S 汇编解读（只关注\_\_x86\_64\_\_）
 *  windows 8086 汇编实现切换

### 函数调用的原理 ###

##### linux 程序内存布局 #####

传统linux程序（32bit)拥有4G的虚拟内存区域，高1G的区域供内核使用，剩余的3G内存供程序使用。按段划分，主要分程序段（text segement)、数据段、BSS段。BSS段用于未初始化的静态变量的初始化（0值初始化）。栈从高到低地址增长。堆从低到高增长。栈和堆的这两种不同的地址增长方向，需要关注下，后面协程切换中就涉及到该布局的  
不同。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXNoZW5neGlfcm9vdA_size_16_color_FFFFFF_t_70]

##### 栈帧定义与函数调用 #####

##### 两个寄存器 #####

*  esp 栈顶指针寄存器，指向调用栈的栈顶（始终指向，意味着栈分配到哪里了，从当前栈往高地址是已被分配了的）
 *  ebp 基址指针寄存器，指向当前活动栈帧的基址

##### 其他： #####

X86-64有16个64位寄存器，分别是：

%rax，%rbx，%rcx，%rdx，%esi，%edi，%rbp，%rsp，%r8，%r9，%r10，%r11，%r12，%r13，%r14，%r15。

其中：

*  %rax 作为函数返回值使用。
 *  %rsp 栈指针寄存器，指向栈顶
 *  %rdi，%rsi，%rdx，%rcx，%r8，%r9 用作函数参数，依次对应第1参数，第2参数。。。
 *  %rbx，%rbp，%r12，%r13，%14，%15 用作数据存储，遵循被调用者使用规则，简单说就是随便用，调用子函数之前要备份它，以防他被修改
 *  %r10，%r11 用作数据存储，遵循调用者使用规则，简单说就是使用之前要先保存原值

##### 栈帧 #####

*  `栈帧是从栈上分配的一段内存，每次函数调用时，用于存储自动变量。从物理介质角度看，栈帧是位于esp（栈指针）及ebp（基指针）之间的一块区域。局部变量等分配均在栈帧上分配，函数结束自动释放。`

这里我们看一下一个栈帧在内存中的布局：

![在这里插入图片描述][20190307092017812.png]

*  注意在这里相当于是一个倒栈

红色区域是进入新的函数中时，栈帧的内存布局。这里需要关注红色区域之上的参数2，参数1，和返回地址。即每次进行函数调用时，会将参数从右到左的入栈，最后将返回地址入栈。`这个返回地址是指，函数调用结束后的下一行执行的代码地址`。**获取参数及返回地址通过EBP相对偏移即可获得**，图示为32位系统对应的偏移值。

##### x86\_64架构下gnu编译器c/cpp函数调用解析： #####

首先需要确定的是：

##### 每一次函数调用都是一个栈帧 #####

##### 函数调用流程： #####

*  1 传参，主要是传递给寄存器。当寄存器不够用时，会丛右到左压栈，然后再传参给寄存器( %rdi，%rsi，%rdx，%rcx，%r8，%r9,这6个不够用的时候才会借用栈。所以rdi是第一个参数，是保存寄存器组内存的首地址)
 *  2 将返回地址压栈，该地址一般指向**函数返回后的下一条指令**
 *  3 修改rip寄存器(指令寄存器)为调用函数的起始地址，新的函数开始了
 *  4 将上个函数的栈帧基址(rbp寄存器用于存放栈帧基址)压入栈中
 *  5 将rbp寄存器中的值修改为rsp寄存中的值，即开启了新的栈帧
 *  6 在栈里为当前函数局部变量分配所需的空间，表现为修改ESP寄存器的值
 *  7 函数返回时，通过 rbp 的偏移就能够获得原先的参数和返回地址

OK，知道了函数调用的原理，接下来我们来实际的看一看函数的调用过程：使用 GDB  
测试程序：

#include<stdio.h>
    int func(int a,int b){ 
        int c= 0 ;
        int d= 1;
        c=  a*b; 
        printf("c is %d \n",c);
    
    }
    
    int main(void)
    { 
        func(1,2); //gdb 在这里停下来
        return 0;
    }

具体见：https://blog.csdn.net/weijitao/article/details/46794573

disass　　//展示汇编代码
    i  reg      // 查看寄存器

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXNoZW5neGlfcm9vdA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

### coctx\_swap.S 汇编解读（只关注\_\_x86\_64\_\_） ###

**在这个汇编文件定义了函数 coctx\_swap 函数（co\_routine->coctx\_swap()）。该函数的作用是 保存当前 co\_routine 的执行环境到结构体 coctx\_t ，然后将CPU上下文设置为目标co\_routine的上下文.**

我们先简要看一下协程上下文的定义

//coctx.h
    struct coctx_t
    { 
    #if defined(__i386__) //忽略
        void *regs[ 8 ];
    #else
        void *regs[ 14 ];//用于保存或者设定特定寄存器值
    #endif
        size_t ss_size;//栈帧区域的size
        char *ss_sp; //协程栈帧内存区域，这个区域一般在堆上分配
    };

14个寄存器，每个寄存器是64位（8字节），所以寄存器组最后一个位置偏移112=13\*8字节（下面要用到）

先简单解释一下头部的代码:

.globl coctx_swap   //.global 声明coctx_swap是全局可见的
    #if !defined( __APPLE__ ) && !defined( __FreeBSD__ )
    .type  coctx_swap, @function    //gnu汇编器定义函数时的规则
    #endif
    coctx_swap:                     //coctx_swap函数内容开始
        leaq 8(%rsp),%rax
        leaq 112(%rdi),%rsp
        ...

该函数实际被调用时，传入了两个参数，均为`coctx_t`类型指针。接下来我们看该函数的上半段

lea是取址指令,b,w,l,q是操作属性限定符，分别表示1字节，2字节，4字节，8字节。

#elif defined(__x86_64__)
    	//进入函数之前的栈的情况
    	//(old) rip 
    	//rbp = rsp 
    	//刚开始进入，rbp = rsp 
    	leaq 8(%rsp),%rax　// rax=rsp+8,rax 保存了原来的 rip 
    	leaq 112(%rdi),%rsp //rsp 指向原先的 rbp
    	pushq %rax //保存各个寄存器 
    	pushq %rbx
    	pushq %rcx
    	pushq %rdx
    
    	pushq -8(%rax) //ret func addr返回原来的 rip 
    
    	pushq %rsi
    	pushq %rdi
    	pushq %rbp
    	pushq %r8
    	pushq %r9
    	pushq %r12
    	pushq %r13
    	pushq %r14
    	pushq %r15
    	.....

上半段相当于是**把当前的各寄存器值存入了第一个参数传入的协程上下文的regs数组中**，**最后的返回地址放在了regs\[9\]中，rsi会保存着第二个参数　coctx\_t**

ok，来看下半部分 （恢复下一个工作协程的上下文）:

movq %rsi, %rsp//rsp(存储栈顶的地址，改变它的地址，就相当于改变了栈空间)替换为rsi寄存器中的值
    	popq %r15//regs数组中的各值恢复到各寄存器中。将返回地址压入栈中
    	popq %r14
    	popq %r13
    	popq %r12
    	popq %r9
    	popq %r8
    	popq %rbp
    	popq %rdi
    	popq %rsi
    	popq %rax //ret func addr regs[9] = rax 
    	popq %rdx
    	popq %rcx
    	popq %rbx
    	popq %rsp
    	pushq %rax //入栈 rax 
    	
    	xorl %eax, %eax
    	ret //ret指令约定从当前栈顶弹出返回地址放入IP寄存器，让出控制流。

OK，至此，切换就完成了！！！

# windows 8086 汇编实现切换 #

这是一位大佬写的，我也看不太懂，正在学习 ing …

yield proc
    		pushf	;先保存一下flags
    		cmp ax,0 ;判断是否是esc
    		jne yEls1
    			mov AH, 4CH	;esc exit
          			int 21h	
    	yEls1:
    		;是tab，先在它自己的栈里保存寄存器,
    		push ax
    		push bx
    		push cx
    		push dx
    		push di
    		push si
    		push bp
    		
    		;再切换栈，恢复另一组寄存器
    		cmp yFunc,0	;当前是tri?
    		je yTri
    
    			mov stack_snake_sp,sp
    			mov sp,stack_tri_sp		;当前是1:snake，要切换成tri
    			mov ax,STACK_RTI
    			mov ss,ax		
    			mov yFunc,0
    
    			jmp yTriEd
    	yTri:
    			mov stack_tri_sp,sp
    			mov sp,stack_snake_sp		;当前是0:tri，要切换成snake
    			mov ax,STACK_SNAKE
    			mov ss,ax
    			mov yFunc,1
    		;恢复寄存器
    	yTriEd:
    
    		pop bp
    		pop si
    		pop di
    		pop dx
    		pop cx
    		pop bx
    		pop ax
    		popf
    		ret	;切换
    yield endp

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXNoZW5neGlfcm9vdA_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20220311/1ab6620e00524e64ab83027ff9e4e3bd.png
[20190307092017812.png]: /images/20220311/feb695464a714065bcbdabc08dc8eaaa.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXNoZW5neGlfcm9vdA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20220311/6277006deafa4040be1be16ea67721ac.png