Linux函数调用栈切换代价分析 (linux 函数调用栈切换代价)
随着计算机的发展，操作系统也在不断的发展。现在的操作系统越来越复杂，功能也越来越强大。Linux操作系统是目前更受欢迎的开源操作系统之一。但是随着计算机的性能不断提高，硬件操作速度迅速增长，对于操作系统提出了更高的要求。操作系统的核心部分是进程管理，而进程管理涉及到进程切换。对于Linux操作系统而言，进程切换最关键的问题就是函数调用栈切换。因此，本文将会对Linux函数调用栈切换代价进行分析，帮助我们更好地了解Linux操作系统。
一、函数调用栈的概念与实现
在介绍Linux函数调用栈切换代价之前，我们首先必须了解什么是函数调用栈以及它的实现。
函数调用栈（Call Stack）是程序在运行过程中用来存储函数调用关系的一种数据结构。在函数调用时，会将调用者现场的信息保存在当前栈帧中，然后将被调用函数的参数传递过去，同时被调用函数的返回地址等信息被保存在新的栈帧中，然后将控制权交给被调用函数。被调用函数执行完毕之后，将返回地址等信息从栈帧中取出，恢复调用者现场，然后将控制权交回给调用者。整个过程是一个典型的栈结构，因此被称为函数调用栈。
在Linux中，函数调用栈是通过系统堆栈来实现的。具体而言，当一个程序开始运行时，系统会在进程地址空间中分配一段区域作为栈区域，用于存放程序运行时所需要的数据，包括函数调用产生的栈帧。这个栈区域通常在高地址向低地址生长。当程序运行时，每次函数调用都会产生一个新的栈帧，保存在栈区域的栈顶。栈帧包括函数调用时需要保存的现场信息，以及函数参数、返回值等信息。当函数调用结束后，栈帧被弹出，回收栈空间，控制返回到调用者函数。
二、函数调用栈的切换
函数调用栈是系统在运行时必须维护的数据结构之一，而进程的上下文切换中，函数调用栈的切换也是非常重要的部分。上下文切换是指进程在切换执行时所保存的状态信息。其中包括程序计数器、寄存器信息、进程标识符、内存地址空间等信息。当进程发生切换时，系统要保存当前进程的上下文信息，切换到将要执行的进程的上下文信息。在Linux中，当发生进程切换时，需要保存当前进程的状态到PCB（进程控制块）中，然后调度新的进程开始执行。
在进行进程切换时，需要涉及到函数调用栈的切换。具体而言，在进程切换时需要保存当前进程栈帧的信息，同时恢复切换进程的栈帧信息。这个过程需要将当前进程的栈帧状态（如寄存器信息、局部变量、参数、返回值等）保存到当前进程的栈帧中，然后将栈帧弹出，保存到PCB中，最后恢复新进程的栈帧信息。这个过程需要用到很多汇编指令，如push、pop等。因此，函数调用栈切换也是进程切换代价的一部分。
三、函数调用栈切换代价分析
在分析函数调用栈切换代价时，我们需要考虑以下几个方面。
1. 保存现场
在进行进程切换时，需要保存当前进程的运行状态信息。这些信息包括程序计数器、寄存器状态、指令地址、进程标识符等。对于函数调用栈而言，保存现场就意味着需要将当前进程的栈帧信息保存到栈中。这些信息包括寄存器状态、局部变量、参数等。在保存现场的过程中，需要消耗大量的时间和空间。
2. 切换栈帧
在进程切换时，需要切换到新的进程的栈帧。这个过程需要用到很多汇编指令，如push、pop等。在切换栈帧时，需要将当前进程的栈帧信息弹出，同时将新进程的栈帧信息压入栈中。这个过程需要涉及较多的汇编指令，也会耗费大量的时间和资源。
3. 内存压缩
在进行函数调用栈切换时，需要对内存进行压缩。这个过程需要保证新的栈帧能够顺利的添加到栈中，同时也需要保证栈的空间足够。这个过程需要涉及到内存中的大量数据的移动和重组，因此也会耗费大量的时间和资源。
四、结论
在计算机操作系统中，函数调用栈切换代价是进程切换时必须要考虑的一个问题。在Linux操作系统中，函数调用栈切换代价包括保存现场、切换栈帧和内存压缩等过程。这些过程需要耗费大量的时间和资源，因此我们需要尽可能地优化这些过程，使其更大程度的降低系统的运行代价。同时，我们也需要尽可能地避免进程切换，减少函数调用栈切换过程带来的开销，从而提高系统的运行效率。
相关问题拓展阅读：
嵌入式与Linux（五）：Linux线程
姓名：王央京 学号：学院：电子工程学院
转自：
【嵌牛导读】本文介绍了Linux线程的相关信息
【嵌牛鼻子】Linux线程
【嵌牛提问】在了解Linux系统后，能否具体介绍线程的概念？
【嵌牛正文】
类Unix系统中，早期是没有“线程”概念的，80年代才引答握态入，借助进程机制实现出了线程的概念。因此在这类系统中，进程和线程关系密切。一个进程可以有多个线程，这个进程本身也叫做线程只不过是主线程。通常主线程分配任务给子线程做。程序设计时候就可以某一时刻不止做一件事情，每一个线程处理各自独立的任务。
多个线程可以访问相同的存储地址空间和文件描述符。同一进程内的线程共享以下数据：全局内存、进程指令、打开的文件、信号处理函数和信号处置、当前工作目录、用户ID和用户组ID、大多数数据。每个线程有各自的线程ID、寄存器（包括程序计数器和栈指针）、栈、errono、信号掩码、优先级。
线程的优点有提高程序并发性、开销小和数据通信、共享数据方便等。线程的缺点有库函数不稳定、调试编写困难、gdb不支持、对信号支持不好等。除此之外，多线程内如果其中一个线程出现了 除0、野指针 等问题会造成该线程崩溃，进而导致整个进程终止。同时，线程是进程的执行分支，线程出异常，就类似进程出异常，进而触发信号机制，终止进程，进程终止，该进程内的所有线程也就随即退出。
从上述分析来看，线程的优点相对突出，缺点均不是硬伤。Linux下由于实现方法导致进程、线程差别不是很大。
线程有一套完整的与其有关的函数库调用，它们中的绝大多数函数名都以pthread_开头。为了使用这些函数库调用，我们必须定义宏_REENTRANT，在程序中包含头文件pthread.h，并且在编译程序皮哗时需要用选项-lpthread来链接线程库。其中常用的函数库如下：
1. pthread_self函数获取线程ID，其作用对应进程中getpid()函数。
2. pthread_create函数创建一个新线程，其作用对应进程中fork()函数。
3. pthread_exit函数将单个线程退出，其作用对应进程中exit()函数
4. pthread_join函数阻塞等待线程退出，获取线程退出状态其作用，对清源应进程中waitpid()函数。
5. pthread_cancel函数杀死(取消)线程其作用，对应进程中kill()函数。
6. pthread_detach函数实现线程分离。
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