Swoole Coroutine Context：C栈与用户栈切换中寄存器保存的汇编级细节

各位听众，大家好。今天我们来深入探讨Swoole协程上下文切换中一个至关重要的环节：C栈与用户栈切换时，寄存器的保存和恢复的汇编级细节。理解这部分内容，对于深入理解协程的底层原理，以及进行性能优化具有重要意义。

1. 协程上下文切换的必要性

在传统的线程模型中，线程的切换由操作系统内核负责，涉及到用户态和内核态的切换，开销相对较大。协程则是一种用户态的轻量级线程，其切换完全在用户空间完成，避免了内核态的切换，从而大大提高了并发性能。

协程上下文切换的核心在于保存和恢复协程的执行状态，包括：

程序计数器 (PC/RIP)： 指示下一条要执行的指令的地址。
栈指针 (SP/RSP)： 指向当前栈顶的位置。
通用寄存器： 用于存储临时数据和计算结果，例如rax, rbx, rcx, rdx, rsi, rdi, r8-r15等。
浮点寄存器 (XMM/YMM/ZMM)： 用于存储浮点数，例如xmm0-xmm15，ymm0-ymm15，zmm0-zmm15。
状态字寄存器 (EFLAGS/RFLAGS)： 存储CPU的状态标志位，例如进位标志CF、零标志ZF、符号标志SF等。

在Swoole协程中，C栈和用户栈的切换是其关键特性。C栈用于执行C代码，用户栈则用于执行PHP代码。协程切换时，需要将当前C栈的上下文保存到协程结构体中，然后将下一个协程的用户栈上下文恢复到C栈中，才能继续执行。

2. Swoole协程上下文结构体

Swoole使用一个结构体来存储协程的上下文信息。这个结构体包含程序计数器、栈指针、通用寄存器等信息。以下是一个简化的示例：

typedef struct {
    void *stack_bottom; // 栈底
    size_t stack_size;    // 栈大小
    void *context;        // 指向汇编保存的寄存器信息的指针
    void *function;       // 协程入口函数
    void *arg;            // 协程入口函数参数
    zend_vm_stack top;   // Zend VM 栈顶
    zend_execute_data *execute_data; // Zend 执行数据
} coroutine_t;

context 字段指向一个保存寄存器信息的区域。这个区域的布局由汇编代码定义。

3. 汇编代码：保存和恢复寄存器

Swoole的协程切换使用汇编代码来实现，以获得最高的性能。以下是一个x86-64架构下，保存和恢复寄存器的示例汇编代码（简化版，省略了一些细节）：

; 保存寄存器
save_context:
    push rbp                 ; 保存 rbp，作为栈帧的基址寄存器
    push rbx                 ; 保存 callee-saved 寄存器
    push r12                 ; 保存 callee-saved 寄存器
    push r13                 ; 保存 callee-saved 寄存器
    push r14                 ; 保存 callee-saved 寄存器
    push r15                 ; 保存 callee-saved 寄存器

    ; 保存 xmm 寄存器 (需要根据编译选项和平台判断是否需要保存)
    ; sub rsp, 160           ; 预留空间
    ; movdqu [rsp + 0], xmm0
    ; movdqu [rsp + 16], xmm1
    ; movdqu [rsp + 32], xmm2
    ; movdqu [rsp + 48], xmm3
    ; movdqu [rsp + 64], xmm4
    ; movdqu [rsp + 80], xmm5
    ; movdqu [rsp + 96], xmm6
    ; movdqu [rsp + 112], xmm7
    ; movdqu [rsp + 128], xmm8
    ; movdqu [rsp + 144], xmm9

    mov [rdi], rsp            ; 保存栈指针 rsp 到 coroutine_t->context
    mov [rdi + 8], rsi        ; 保存程序计数器 (通常由调用者提供) 到 coroutine_t->context + 8
    ret

; 恢复寄存器
restore_context:
    mov rsp, [rdi]            ; 恢复栈指针 rsp 从 coroutine_t->context
    mov rsi, [rdi + 8]        ; 恢复程序计数器 (实际是返回地址)

    ; 恢复 xmm 寄存器 (需要根据编译选项和平台判断是否需要恢复)
    ; movdqu xmm0, [rsp + 0]
    ; movdqu xmm1, [rsp + 16]
    ; movdqu xmm2, [rsp + 32]
    ; movdqu xmm3, [rsp + 48]
    ; movdqu xmm4, [rsp + 64]
    ; movdqu xmm5, [rsp + 80]
    ; movdqu xmm6, [rsp + 96]
    ; movdqu xmm7, [rsp + 112]
    ; movdqu xmm8, [rsp + 128]
    ; movdqu xmm9, [rsp + 144]
    ; add rsp, 160

    pop r15                 ; 恢复 callee-saved 寄存器
    pop r14                 ; 恢复 callee-saved 寄存器
    pop r13                 ; 恢复 callee-saved 寄存器
    pop r12                 ; 恢复 callee-saved 寄存器
    pop rbx                 ; 恢复 callee-saved 寄存器
    pop rbp                 ; 恢复 rbp
    ret                     ; 返回到恢复的程序计数器位置

这段代码展示了如何使用 push 和 pop 指令来保存和恢复寄存器。rdi 通常用于传递第一个参数，这里是 coroutine_t->context 的地址。rsi 则保存了返回地址，也就是程序计数器。

关键点：

Callee-saved 寄存器： rbp, rbx, r12, r13, r14, r15 这些寄存器是 "callee-saved" 的，意味着被调用的函数（callee）需要负责保存和恢复这些寄存器的值，以保证调用者（caller）在函数调用前后这些寄存器的值不变。因此，协程切换时需要保存和恢复这些寄存器。
栈指针 RSP： 栈指针 rsp 指向栈顶，保存和恢复 rsp 是至关重要的，因为它决定了后续的 push 和 pop 指令操作的位置。
程序计数器（返回地址）： 保存和恢复程序计数器，实际上是保存和恢复了函数调用结束后的返回地址。在 restore_context 中，ret 指令会将恢复的返回地址弹出到程序计数器中，从而使程序跳转到正确的执行位置。
浮点寄存器： 是否需要保存和恢复浮点寄存器取决于编译选项和平台。如果使用了浮点运算，就需要保存和恢复浮点寄存器。

4. C代码：调用汇编函数

C代码负责调用汇编函数来完成协程上下文的保存和恢复。

// 定义汇编函数的原型
extern void save_context(void *context, void *rip);
extern void restore_context(void *context);

// 保存协程上下文
void save_coroutine_context(coroutine_t *co) {
    // 获取当前栈顶指针
    void *rip = __builtin_return_address(0); // 获取返回地址，相当于程序计数器
    save_context(co->context, rip);
}

// 恢复协程上下文
void restore_coroutine_context(coroutine_t *co) {
    restore_context(co->context);
}

__builtin_return_address(0) 是一个GCC内置函数，用于获取当前函数的返回地址，也就是程序计数器。

5. 协程切换的流程

协程切换的流程大致如下：

保存当前协程的上下文： 调用 save_coroutine_context 函数，将当前协程的寄存器信息保存到 coroutine_t->context 中。
选择下一个要执行的协程： 从协程调度器中选择下一个要执行的协程。
恢复下一个协程的上下文： 调用 restore_coroutine_context 函数，将下一个协程的寄存器信息从 coroutine_t->context 中恢复到CPU寄存器中。
执行下一个协程： CPU从恢复的程序计数器位置开始执行下一个协程的代码。

6. 示例：使用汇编实现简单的协程切换

为了更清晰地理解协程切换的过程，我们用一个简化的例子来说明：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>

#define STACK_SIZE 1024 * 128

typedef struct {
    uint64_t rsp; // 栈指针
    uint64_t rip; // 程序计数器 (返回地址)
    uint64_t rbx;
    uint64_t rbp;
    uint64_t r12;
    uint64_t r13;
    uint64_t r14;
    uint64_t r15;
} coroutine_context_t;

typedef struct {
    coroutine_context_t context;
    void *stack;
} coroutine_t;

// 汇编代码声明
extern void context_switch(coroutine_context_t *old_context, coroutine_context_t *new_context);

// 协程函数1
void coroutine_func1(void *arg) {
    int i = 0;
    while (i < 5) {
        printf("Coroutine 1: %dn", i++);
        context_switch((coroutine_context_t*)arg, (coroutine_context_t*)((char*)arg + sizeof(coroutine_context_t))); // 切换到协程2
    }
}

// 协程函数2
void coroutine_func2(void *arg) {
    int i = 0;
    while (i < 5) {
        printf("Coroutine 2: %dn", i++);
        context_switch((coroutine_context_t*)arg, (coroutine_context_t*)((char*)arg - sizeof(coroutine_context_t))); // 切换到协程1
    }
}

int main() {
    // 创建两个协程
    coroutine_t coroutine1, coroutine2;

    // 分配栈空间
    coroutine1.stack = malloc(STACK_SIZE);
    coroutine2.stack = malloc(STACK_SIZE);

    // 初始化协程1的上下文
    uint64_t* stack_top1 = (uint64_t*)((char*)coroutine1.stack + STACK_SIZE);
    *(--stack_top1) = (uint64_t) exit; // 设置栈顶为 exit 函数的地址，作为协程结束时的返回地址
    coroutine1.context.rsp = (uint64_t)stack_top1;
    coroutine1.context.rip = (uint64_t)coroutine_func1;
    coroutine1.context.rbx = 0;
    coroutine1.context.rbp = (uint64_t)coroutine1.stack;
    coroutine1.context.r12 = 0;
    coroutine1.context.r13 = 0;
    coroutine1.context.r14 = 0;
    coroutine1.context.r15 = 0;

    // 初始化协程2的上下文
    uint64_t* stack_top2 = (uint64_t*)((char*)coroutine2.stack + STACK_SIZE);
    *(--stack_top2) = (uint64_t) exit; // 设置栈顶为 exit 函数的地址
    coroutine2.context.rsp = (uint64_t)stack_top2;
    coroutine2.context.rip = (uint64_t)coroutine_func2;
    coroutine2.context.rbx = 0;
    coroutine2.context.rbp = (uint64_t)coroutine2.stack;
    coroutine2.context.r12 = 0;
    coroutine2.context.r13 = 0;
    coroutine2.context.r14 = 0;
    coroutine2.context.r15 = 0;

    // 启动协程1
    context_switch(&coroutine1.context, &coroutine2.context);

    // 清理资源
    free(coroutine1.stack);
    free(coroutine2.stack);

    return 0;
}

对应的汇编代码 context_switch.asm:

; context_switch.asm
section .text
global context_switch

context_switch:
    ; 参数1: rdi (old_context)
    ; 参数2: rsi (new_context)

    ; 保存当前协程的上下文
    mov [rdi + 0], rsp      ; 保存 rsp
    mov [rdi + 8], [rsp]    ; 保存 rip (栈顶的值)
    mov [rdi + 16], rbx     ; 保存 rbx
    mov [rdi + 24], rbp     ; 保存 rbp
    mov [rdi + 32], r12     ; 保存 r12
    mov [rdi + 40], r13     ; 保存 r13
    mov [rdi + 48], r14     ; 保存 r14
    mov [rdi + 56], r15     ; 保存 r15

    ; 切换到新的协程
    mov rsp, [rsi + 0]      ; 恢复 rsp
    mov rbx, [rsi + 16]     ; 恢复 rbx
    mov rbp, [rsi + 24]     ; 恢复 rbp
    mov r12, [rsi + 32]     ; 恢复 r12
    mov r13, [rsi + 40]     ; 恢复 r13
    mov r14, [rsi + 48]     ; 恢复 r14
    mov r15, [rsi + 56]     ; 恢复 r15
    push qword [rsi + 8]    ; 恢复 rip (压入栈顶)
    ret                     ; 返回到新的 rip

编译和运行：

nasm -f elf64 context_switch.asm -o context_switch.o
gcc -c main.c -o main.o
gcc main.o context_switch.o -o coroutine
./coroutine

这个例子非常简化，但它展示了协程切换的核心思想：保存当前协程的寄存器，恢复下一个协程的寄存器，然后跳转到下一个协程的执行位置。

7. 寄存器保存方案的演进

Swoole的协程实现经历了多个版本的演进，寄存器保存方案也在不断优化。

最早版本: 使用 ucontext_t 结构体进行上下文切换。ucontext_t 是 POSIX 标准提供的，但性能较差，因为涉及到系统调用。
中间版本: 使用汇编代码手动保存和恢复寄存器，避免了系统调用，提高了性能。
当前版本: 在中间版本的基础上，进一步优化了汇编代码，减少了不必要的寄存器保存和恢复，并针对不同的CPU架构进行了优化。

8. 不同架构下的差异

不同CPU架构的寄存器集合和调用约定有所不同，因此，协程切换的汇编代码也需要针对不同的架构进行定制。Swoole针对x86-64、ARM等架构都提供了相应的汇编代码实现。

例如，ARM架构的寄存器命名和数量与x86-64不同，其函数调用约定也不同。因此，ARM架构下的协程切换汇编代码需要使用不同的寄存器和指令。

9. 未来发展方向

协程技术在不断发展，未来的发展方向包括：

更细粒度的上下文切换： 只保存和恢复必要的寄存器，进一步减少切换开销。
与操作系统的集成： 与操作系统内核合作，实现更高效的协程调度。
支持更多的编程语言： 将协程技术应用到更多的编程语言中。

总结：理解协程切换的核心

Swoole协程的上下文切换是其高性能的关键。理解C栈与用户栈切换时寄存器的保存和恢复的汇编级细节，能够帮助我们深入理解协程的底层原理，并为性能优化提供指导。通过汇编级的优化，Swoole实现了高效的协程切换，从而支持高并发的应用场景。理解这些汇编细节可以帮助开发者更好的理解swoole的运行机制，为优化和调试提供便利。

协程：理解底层才能更好应用

希望今天的分享能够帮助大家更深入地理解Swoole协程的底层实现。感谢大家的聆听。

Swoole Coroutine Context：C栈与用户栈切换中寄存器保存的汇编级细节

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