glibc提供了四个函数给用户实现上下文的切换。
代码语言：javascript复制int getcontext(ucontext_t *ucp);
int setcontext(const ucontext_t *ucp);
void makecontext(ucontext_t *ucp, void (*func)(), int argc, ...);
int swapcontext(ucontext_t *oucp, const ucontext_t *ucp);
glibc提高的功能类似早期setjmp和longjmp。本质上是保存当前的执行上下文到一个变量中，然后去做其他事情。在某个时机再切换回来。从上面函数的名字中，我们大概能知道，这些函数的作用。我们先看一下表示上下文的数据结构（x86架构）。
代码语言：javascript复制 typedef struct ucontext_t {
unsigned long int uc_flags;
// 下一个执行上下文，执行完本上下文，就知道uc_link的上下文
struct ucontext_t *uc_link;
// 信号屏蔽位
sigset_t uc_sigmask;
/*
栈信息
typedef struct
{
void *ss_sp;
int ss_flags;
size_t ss_size;
} stack_t
*/
stack_t uc_stack;
// 平台相关的上下文数据结构
mcontext_t uc_mcontext;
...
} ucontext_t;
我们看到ucontext_t是对上下文实现一个更高层次的封装。真正的上下文由mcontext_t结构体表示。比如在x86架构下。他的定义是
代码语言：javascript复制typedef struct
{
/*
typedef int greg_t;
typedef greg_t gregset_t[19]
gregs是保存寄存器上下文的
*/
gregset_t gregs;
fpregset_t fpregs;
unsigned long int oldmask;
unsigned long int cr2;
} mcontext_t;
整个布局如下
在这里插入图片描述 我们了解了基本的数据结构，然后开始分析一开始提到的四个函数。
1 int getcontext(ucontext_t *ucp)
getcontext是把当前执行的上下文保存到ucp中。我们看看他大致的实现。他是用汇编实现的。首先看一下开始执行getcontext函数的时候的栈布局。
在这里插入图片描述
代码语言：javascript复制movl 4(%esp), �x
把getcontext函数入参的地址赋值给eax。即ucp指向的地址。
代码语言：javascript复制 // oEAX是eax字段在ucontext_t结构中的位置，这里就是把ucontext_t中eax的值置为0
movl $0, oEAX(�x)
// 同上
movl �x, oECX(�x)
movl �x, oEDX(�x)
movl �i, oEDI(�x)
movl %esi, oESI(�x)
movl �p, oEBP(�x)
// 把esp指向的内存的内容赋给eip字段，这时候esp指向的内存保存的值是返回地址的值。即getcontext函数的下一条指令
movl (%esp), �x
movl �x, oEIP(�x)
/*
把esp 4（保存第一个入参的内存的地址）对应的地址（而不是这个地址里存的值）赋给esp。
正常的函数执行流程是主函数压参，call指令压eip，然后调用子函数，
子函数压ebp，设置新的esp。返回的时候子函数，恢复esp，ebp。然后弹出eip。回到主函数。
这里模拟正常函数的调用过程。执行本上下文的eip时，相当于从一个子函数中返回，
这时候的栈顶应该是esp 4,即跳过eip和恢复ebp的过程。
*/
leal 4(%esp), �x /* Exclude the return address. */
movl �x, oESP(�x)
movl �x, oEBX(�x)
xorl �x, �x
movw %fs, %dx
movl �x, oFS(�x)
整个代码下来，对照一开始的结构体。对号入座。这里提一下子函数的调用过程一般是 1 主函数入栈参数 2 call 执行子函数压入eip 3 子函数保存ebp，设置新的esp 4 恢复ebp和esp 5 ret 弹回eip返回到主函数 6 主函数恢复栈，即清除1中的入栈的参数
继续
代码语言：javascript复制 // 取得ucontext结构体的uc_sigmask字段的地址
leal oSIGMASK(�x), �x
// ecx清0
xorl �x, �x
// 准备调用系统调用，设置系统调用的入参，ebx是第一个参数，ecx是第二个，edx是第三个
movl $SIG_BLOCK, �x
// 调用系统调用sigprocmask，SIG_BLOCK是表示设置屏蔽信号，见sigprocmask函数解释，eax保存系统调用的调用号
movl $__NR_sigprocmask, �x
// 通过中断触发系统调用
int $0x80
这里是设置信号屏蔽的逻辑。我们看看该函数的声明。
代码语言：javascript复制// how操作类型（这里是设置屏蔽信号），设置信号屏蔽位为set，保存旧的信号屏蔽位oldset
int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);
所以根据上面的代码，翻译过来就是。
代码语言：javascript复制int sigprocmask(SIG_BLOCK, 0, &ucontext.uc_sigmask);
即保存旧的信号屏蔽信息。 getcontext函数大致逻辑就是上面。主要做了两个事情。 1 保存上下文。 2 保存旧的信号屏蔽信息
2 makecontext
makecontext是设置上下文的某些字段的信息
代码语言：javascript复制// ucontext_t结构体的地址
movl 4(%esp), �x
// 函数地址，即协程的工作函数，类似线程的工作函数
movl 8(%esp), �x
// 设置ucontext_t的eip字段的值为函数的值
movl �x, oEIP(�x)
// 赋值ucontext_t.uc_stack.ss_sp（栈顶）给edx
movl oSS_SP(�x), �x
// oSS_SIZE为栈大小，这里设置edx指向栈底
addl oSS_SIZE(�x), �x
这时候的布局如下。
在这里插入图片描述
代码语言：javascript复制 movl 12(%esp), �x
movl �x, oEBX(�x)
保存makecontext的第三个参数（表示参数个数），到eax。
代码语言：javascript复制 // 取负
negl �x
// edx - ecx * 4 - 4。ecx * 4代表ecx个参数需要的空间，再减去4是保存oLINK的值（ucontext_t.ucontext的值）
leal -4(�x,�x,4), �x
// 恢复ecx的值
negl �x
// 栈顶减4，即可以存储多一个数据，用于保存L(exitcode)的地址，见下面的L(exitcode)
subl $4, �
// 保存栈顶地址到ucontext_t
movl �x, oESP(�x)
// 把ucontext_t.uc_link的内存复制到栈中的第一个元素
movl oLINK(�x), �x
// edx ecx * 4 4指向保存ucontext_t.ucontext的值的内存地址。即保存ucontext_t.ucontext到该内存里
movl �x, 4(�x,�x,4)
// ecx（参数个数）为0则跳到2,说明不需要复制参数
jecxz 2f
// 循环复制参数
1: movl 12(%esp,�x,4), �x
movl �x, (�x,�x,4)
decl �x
jnz 1b
// 把L(exitcode)的地址压入栈。L(exitcode)的内容下面继续分析
movl $L(exitcode), (�x)
// makecontext返回
ret
这时候的栈布局如下
在这里插入图片描述 从上面的代码中我们知道，makecontext函数主要的功能是 1 设置协程的工作函数地址到上下文（ucontext_t）中。 2 在用户设置的栈上保存一些信息，并且设置栈顶指针的值到上下文中。
3 setcontext
setcontext是设置当前执行上下文。
代码语言：javascript复制movl 4(%esp), �x
把当前需要执行的上下文（ucontext_t）赋值给eax。
代码语言：javascript复制 xorl �x, �x
leal oSIGMASK(�x), �x
movl $SIG_SETMASK, �x
movl $__NR_sigprocmask, �x
int $0x80
这里是用getcontext里保存的信息，设置信号屏蔽位。
代码语言：javascript复制 // 设置fs寄存器
movl oFS(�x), �x
movw %cx, %fs
// 根据上下文设置栈顶，这个栈顶的值就是在makecontext里设置的（见上面的图）
movl oESP(�x), %esp
// 把eip压入栈，setcontext返回的时候，从eip开始执行。eip在makecontext中设置，即工作函数的地址
movl oEIP(�x), �x
// 把工作函数的地址入栈
pushl �x
这时候的栈布局
在这里插入图片描述
代码语言：javascript复制 // 根据上下文设置其他寄存器
movl oEDI(�x), �i
movl oESI(�x), %esi
movl oEBP(�x), �p
movl oEBX(�x), �x
movl oEDX(�x), �x
movl oECX(�x), �x
movl oEAX(�x), �x
// setcontext返回
ret
然后setcontext函数返回。ret指令会把当前栈顶的元素出栈，赋值给eip。即下一条要执行的指令的地址。我们从上图可以知道，栈顶这时候指向的元素是上下文的工作函数的地址。所以setcontext返回后，执行设置的上下文的工作函数。 这时候的栈布局
在这里插入图片描述 当工作函数执行完之后，同样，栈顶的元素出栈，成为下一个eip。即L(exitcode)地址对应的指令会在工作函数执行完后执行。下面我们分析L(exitcode)。
代码语言：javascript复制L(exitcode):
// 工作函数执行完了，他的入参也不需要了，释放栈空间。栈布局见下图
leal (%esp,�x,4), %esp
这时候的栈布局
在这里插入图片描述 接着
代码语言：javascript复制 // 这时候的栈顶指向ucontext_t.uc_link的值，即下一个要执行的协程。
cmpl $0, (%esp)
// 如果没有要执行的协程。则跳到2正常退出
je 2f /* If it is zero exit. */
// 否则继续setcontext，入参是上图esp指向的ucontext_t.uc_link
call HIDDEN_JUMPTARGET(__setcontext)
// setcontext返回后会从新的eip开始执行，如果执行下面的指令说明setcontext执行出错了。调用exit退出
jmp L(call_exit)
2:
/* Exit with status 0. */
xorl �x, �x
4 swapcontext
swapcontext函数把当前执行的上下文保存到第一个参数中，然后设置第二个参数为当前执行上下文。
代码语言：javascript复制 // 把第一个参数的地址赋值给eax
movl 4(%esp), �x
movl $0, oEAX(�x)
// 保存当前执行上下文
movl �x, oECX(�x)
movl �x, oEDX(�x)
movl �i, oEDI(�x)
movl %esi, oESI(�x)
movl �p, oEBP(�x)
movl �x, oEBX(�x)
// esp指向的内存保存了swapcontext函数下一条指令的地址，保存到上下文的eip字段中
movl (%esp), �x
movl �x, oEIP(�x)
// 保存栈到上下文。模拟正常函数的调用过程。见getcontext的分析
leal 4(%esp), �x
movl �x, oESP(�x)
// 保存fs寄存器
xorl �x, �x
movw %fs, %dx
movl �x, oFS(�x)
swapcontext首先是保存当前执行上下文到第一个参数中。
代码语言：javascript复制// 把swapcontext的第二个参数赋值给ecx
movl 8(%esp), �x
// 把旧的信号屏蔽位信息保存到swapcontext的第一个参数中，设置信号屏蔽位为swapcontext的第二个参数中的值
leal oSIGMASK(�x), �x
leal oSIGMASK(�x), �x
movl $SIG_SETMASK, �x
movl $__NR_sigprocmask, �x
int $0x80
然后设置新的执行上下文
代码语言：javascript复制 // 设置fs寄存器
movl oFS(�x), �x
movw %dx, %fs
// 设置栈顶
movl oESP(�x), %esp
// 即将执行的上下文的eip压入栈，swapcontext函数返回的时候从这个开始执行（工作函数）
movl oEIP(�x), �x
pushl �x
// 设置其他寄存器
movl oEDI(�x), �i
movl oESI(�x), %esi
movl oEBP(�x), �p
movl oEBX(�x), �x
movl oEDX(�x), �x
movl oECX(�x), �x
movl oEAX(�x), �x
四个函数分析完了，主要的工作是对寄存器的一些保存和设置，实现任意跳转。最后我们看一下例子。
代码语言：javascript复制 #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)
{
if (swapcontext(&uctx_func1, &uctx_func2) == -1)
handle_error("swapcontext");
}
static void
func2(void)
{
if (swapcontext(&uctx_func2, &uctx_func1) == -1)
handle_error("swapcontext");
}
int
main(int argc, char *argv[])
{
char func1_stack[16384];
char func2_stack[16384];
// 保存当前的执行上下文
if (getcontext(&uctx_func1) == -1)
handle_error("getcontext");
// 设置新的栈
uctx_func1.uc_stack.ss_sp = func1_stack;
uctx_func1.uc_stack.ss_size = sizeof(func1_stack);
// uctx_func1对应的协程执行完执行uctx_main
uctx_func1.uc_link = &uctx_main;
// 设置协作的工作函数
makecontext(&uctx_func1, func1, 0);
// 同上
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);
// uctx_func2执行完执行uctx_func1
uctx_func2.uc_link = (argc > 1) ? NULL : &uctx_func1;
makecontext(&uctx_func2, func2, 0);
// 保存当前执行上下文到uctx_main，然后开始执行uctx_func2对应的上下文
if (swapcontext(&uctx_main, &uctx_func2) == -1)
handle_error("swapcontext");
printf("main: exitingn");
exit(EXIT_SUCCESS);
}
所以整个流程是uctx_func2->uctx_func1->uctx_main 最后执行
代码语言：javascript复制printf("main: exitingn");
exit(EXIT_SUCCESS);
然后退出。
