进程上下文到底是什么东西？

1. 进程上下文的总体分类

一个进程的上下文主要分为三类：

用户级上下文（User-level Context）
内核级上下文（Kernel-level Context）

2. 各部分的内容

（1）用户级上下文

这是进程在用户态执行时的信息，主要包括：

进程虚拟地址空间

用户虚拟地址空间（进程可访问的内存布局）：
- 代码段（Text Segment） → 存放程序的机器指令（只读）
- 数据段（Data Segment） → 存放全局变量、静态变量
- BSS段（BSS Segment） → 存放未初始化的全局变量和静态变量
- 堆（Heap） → 动态分配（malloc/new）
- 共享库映射区 → 动态库、mmap
- 栈（Stack） → 函数调用、局部变量
用户栈内容（函数调用参数、返回地址、局部变量）。
用户态寄存器值（如 EAX、EBX、EIP、ESP 等）。
- 通用寄存器（AX、BX、CX、DX、RAX、RBX …）。
- 程序计数器 PC / 指令指针 IP（表示下一条将要执行的指令地址）
- 栈指针 SP（当前栈顶位置）
- 标志寄存器 EFLAGS / RFLAGS（条件码、中断允许位等）。
- 段寄存器（CS、DS、SS 等）。
- 浮点寄存器 / SIMD 寄存器（FPU/MMX/SSE/AVX 等，现代 CPU 上必须保存）。

👉 这些保证了进程从用户角度看能“接着原来的地方继续运行”。

（2）内核级上下文

当进程进入内核态（系统调用、中断、异常）时，需要的额外上下文：

内核栈（每个线程一个，存放系统调用栈帧、局部变量）。
内核态寄存器现场（陷入内核时，CPU 会把部分寄存器压入内核栈）。
页表基址寄存器 CR3（指向该进程的页表，用于虚拟内存映射）。
进程控制块 PCB / task_struct（操作系统保存的进程元数据）：
- 进程 ID、父进程 ID
- 进程状态（就绪、运行、阻塞…）
- 打开的文件描述符表
- 信号处理信息
- 调度优先级、时间片信息
- 内存管理信息（mm_struct，指向代码段、堆、栈等的描述符）
- 线程信息（thread_struct，保存寄存器内容等）

👉 这些是 OS 在调度和管理进程时必须用到的。

3. 进程切换过程

1. 触发条件

进程切换通常由以下中断或事件触发：

时钟中断（Timer Interrupt） → 实现时间片轮转
I/O 外中断完成 → 阻塞进程变就绪
内中断/异常 → 除零、非法指令、断点
系统调用 → 软件中断（INT 指令）主动进入内核

注意：中断处理程序总是在内核态执行。

2. CPU 响应中断（进入中断处理程序）

CPU 保存用户态基本上下文
- 自动将以下压入内核栈：
  - RIP（下一条指令地址）
  - CS（代码段寄存器）
  - RFLAGS（标志寄存器）
  - RSP（用户栈指针）
  - SS（用户栈段寄存器）
切换特权级
- CPU 切换到内核态栈（每个进程独立内核栈）
- 段寄存器更新为内核态段
跳转到中断描述符表（IDT）指定的中断处理程序入口

3. 中断处理程序（Interrupt Handler）执行

保存内核态寄存器
- 保存通用寄存器 RAX-R15、RFLAGS、RIP、RSP 等到 内核栈或上下文结构
- 如使用浮点/SIMD，也可能保存 XMM/YMM/ST 寄存器
识别中断来源
- 硬件中断（外中断） → 查询中断号、设备
- 软件中断（系统调用） → 获取系统调用号
执行中断处理逻辑
- 时钟中断：
  - 更新系统时间
  - 调用调度器决定是否切换进程
- I/O 中断：
  - 将等待该设备的进程置为就绪
- 异常：
  - 处理异常或发送信号给用户进程

4. 调度程序（Scheduler）执行

保存当前进程上下文（如果需要切换进程）
- 用户态寄存器、内核栈指针保存到 PCB
- 页表基址 CR3（如果不同进程页表不同）
选择下一个进程
- 调度策略（时间片轮转、优先级、多级反馈队列等）
- 更新 current_process 指向新进程 PCB
加载新进程上下文
- 恢复用户态寄存器 RAX-R15、RIP、RSP、RFLAGS
- 恢复浮点/SIMD 寄存器（按需）
- 加载页表基址 CR3
- 设置内核栈指针（Kernel Stack Pointer）

5. 返回用户态

执行 IRET 或 SYSRET 指令
- RIP、RSP、RFLAGS、CS、SS 全部恢复
- CPU 切换回用户态特权级
新进程继续执行
- 如果没有切换进程，则原进程继续执行被中断的指令
- 如果切换了进程，则新进程从上次暂停的地方继续运行

6. 数据结构和寄存器关系

内容	存放位置	说明
用户态寄存器（RAX-R15、RIP、RSP、RFLAGS）	内核栈 / PCB 上下文	用于恢复用户态执行
内核栈寄存器	PCB	保存当前内核栈位置
FPU/SSE/AVX 寄存器	PCB（按需）	浮点或向量寄存器
页表基址 CR3	CPU / PCB	切换进程时需要切换页表
调度信息	PCB	优先级、状态等
IDT / 中断向量	系统全局	中断入口地址表

7. 总结流程图（文字版）

用户态进程执行
      │
      ▼
 中断触发/系统调用
      │
      ▼
CPU 自动保存用户态 RIP, CS, RFLAGS, RSP, SS → 内核栈
      │
      ▼
切换到内核栈，进入中断处理程序
      │
      ▼
保存通用寄存器、浮点/SIMD寄存器（上下文）
      │
      ▼
执行中断逻辑（时钟/I/O/异常/系统调用）
      │
      ▼
调用调度器（Scheduler）
      │
      ▼
是否切换进程？
 ┌─────┴─────┐
 │           │
否           是
 │           │
恢复原进程寄存器   保存当前进程上下文到 PCB
 │           │
执行 IRET      恢复新进程上下文
 │           │
用户态继续执行  IRET 返回用户态

💡 核心理解：

中断触发 → CPU 自动压栈 → 内核栈切换 → 中断处理程序
中断处理程序 → 保存寄存器 → 执行中断逻辑 → 调度器决定切换
切换进程 → 保存当前进程上下文 → 恢复新进程上下文
IRET 返回用户态 → 新进程继续执行

每个寄存器的意义

好的，我们来完整、系统地列举用户态寄存器，以 x86-64（64 位 CPU）为例，因为这是现代 PC/服务器常用架构。用户态寄存器就是进程在用户态运行时可以访问和使用的 CPU 寄存器，用于存放函数调用信息、中间计算结果、程序计数、栈指针等。

1. 通用寄存器（General Purpose Registers）

x86-64 用户态可以访问的 16 个通用寄存器：

寄存器	说明
RAX	累加寄存器，函数返回值
RBX	基寄存器，通常保存被调用者保存的数据（callee-saved）
RCX	计数寄存器，循环计数 / 函数参数传递
RDX	数据寄存器，函数参数 / I/O 操作
RSI	源索引寄存器，函数参数传递 / 内存操作源地址
RDI	目的索引寄存器，函数参数传递 / 内存操作目标地址
RBP	基址指针寄存器，指向栈帧底部（callee-saved）
RSP	栈指针寄存器，指向当前栈顶
R8–R15	额外通用寄存器（部分被调用者保存或调用者保存）

x86-64 的函数调用约定（System V AMD64 ABI）规定：

RBP、RBX、R12–R15 由被调用函数保存（callee-saved）

RAX、RCX、RDX、RSI、RDI、R8–R11 由调用者保存（caller-saved）

2. 程序计数寄存器

寄存器	说明
RIP	指令指针 / 程序计数器，指向下一条要执行的指令

3. 标志寄存器

寄存器	说明
RFLAGS	包含条件码（ZF、CF、SF 等）、中断允许标志 IF、方向标志 DF 等

4. 段寄存器（用户态可访问）

寄存器	说明
CS	代码段选择子
DS	数据段选择子
ES	附加段
FS	用户自定义段（常用于线程局部存储 TLS）
GS	用户自定义段（TLS 或系统信息）
SS	栈段选择子