内核必须在上下文切换之间保存什么内存“状态”？

Question

我目前正在阅读How Linux Works: What Every Superuser Should Know，我阅读了以下关于上下文切换的内容：

1. CPU（实际的硬件）基于一个内部的 tinier 中断当前进程，切换到内核模式，并手动控制 回到内核。
2. 内核记录 CPU 和内存的当前状态，这对于恢复刚刚中断的进程至关重要。
3. 内核执行之前时间片中可能出现的任何任务（例如从输入和输出中收集数据， 或 I/O、操作）。
4. 内核现在已准备好让另一个进程运行。内核分析准备运行的进程列表并选择一个。
5. 内核为这个新进程准备内存，然后准备 CPU。
6. 内核告诉 CPU 新进程的时间片将持续多长时间。
7. 内核将 CPU 切换到用户模式，并将 CPU 的控制权交给进程。

我了解需要从 CPU 的状态（寄存器值等）中保存哪些内容，但我不了解需要管理哪些内存。进程不是有自己的内存块，应该不受上下文切换的影响吗？

内核在上下文切换之间需要保存哪些内存？

Answer 1

在具有内存管理单元 (MMU) 的处理器上，在与内存相关的任务切换期间发生的主要事情是告诉 MMU 使用不同的虚拟地址空间。这是假设目标任务具有不同的地址空间，即任务是不同的进程，而不是同一进程中的不同线程。例如在 32 位 x86 上，控制寄存器 3 (CR3) 包含页目录表的物理地址。在任务切换到不同进程期间，目标进程的相应 CR3 值被加载到 CR3 中，因此所有进一步的虚拟内存访问都使用新的地址空间。

内存本身通常不会以任何方式保存，因为 MMU 用于保护页面，因此一个进程通常无法访问另一个进程内存。我之所以这么说，是因为在少数情况下这是允许的，但与这个问题无关。

在内存受限的系统中，当需要更多虚拟内存并且没有更多可用物理内存时，可以将内存页面存储到辅助存储（例如硬盘驱动器），但这通常不会在上下文中完成切换（尽管可以），而是根据需求进行。无论哪种方式，将内存存储到辅助存储都不是上下文切换的重要部分。

因此，关于以下陈述的结论

内核记录 CPU 和内存的当前状态，这对于恢复刚刚中断的进程至关重要。

如果通过“内存”语句指的是控制虚拟地址到物理地址转换的 MMU 状态，那么在上下文切换期间可以保存。我说可能是因为通常流程的 CR3 值不会改变，所以没有理由保存它，因为它是已知的。如果该语句指的是任务正在使用的实际内存，那么它是错误的。

最后关于以下声明：

内核为这个新进程准备内存，然后准备 CPU。

再次，如果“为新进程准备内存”意味着设置 MMU 以使用新的虚拟到物理地址转换，那么是的，这确实发生在上下文切换期间。如果这意味着它从某个地方为新进程加载内存，这不需要发生，这要感谢 MMU。