Unix/Linux编程：getcontext、setcontext

article/2025/9/13 0:05:56

ucontext该结构提供了所谓的用户上下文信息，用于描述调用信号处理器函数前的进程状态，其中包括上一个进程信号掩码以及寄存器的保存值，例如程序计数器（cp）和栈指针寄存器（sp），使用结构 ucontext_t 的其他函数有 getcontext()、makecontext()、setcontext()和 swapcontext()，分别对应的功能是允许进程去接收、创建、改变以及交换执行上下文。（这些操作有点类似于 setjmp()和 longjmp()，但更为通用。）可以使用这些函数来实现协程（coroutines），令进程的执行线程在两个（或多个）函数之间交替。SUSv3 规定了这些函数，但将它们标记为已废止。SUSv4 则将其删去，并建议使用 POSIX 线程来重写旧有的应用程序。glibc 手册页提供了关于这些函数的深入信息。

ucontext使得linux程序可以在用户态执行上下文切换，从而避免了进程或者线程切换导致的切换用户空间、切换堆栈，因此，效率相对更高。

结构体

有两个结构体，分别是mcontext_t和ucontext_t，其中mcontext_t是透明的。我们只需要关注ucontext_t就可以了
ucontext_t定义在头文件ucontext.h中，为：

/* Userlevel context.  */
typedef struct ucontext_t{unsigned long int __ctx(uc_flags);struct ucontext_t *uc_link;stack_t uc_stack;mcontext_t uc_mcontext;sigset_t uc_sigmask;struct _libc_fpstate __fpregs_mem;} ucontext_t;

关键字段说明：

  • uc_link：当前context执行结束之后要执行的下一个context，如果uc_link为空，执行完当前context后退出程序。
  • uc_stack：当前上下文所需要的stack。
  • uc_mcontext：保存具体的程序执行上下文，如PC值、堆栈指针和寄存器的值。它的实现依赖于底层，是硬件平台相关的，因此不透明。
  • uc_sigmask：执行上下文过程中，要屏蔽的信号集合，即信号掩码。

stack_t 结构参考这里

函数

int getcontext(ucontext_t *ucp);

初始化ucp结构体，将当前上下文保存在ucp中。成功时，返回0，错误返回-1，并设置errno

int setcontext(const ucontext_t *ucp);

设置当前上下文为ucp所指向的上下文。setcontext的上下文ucp应该通过getcontext或者makecontext取得，如果调用成功则不返回。

  • 如果程序是通过getcontext取得，则程序会继续执行这个调用。
  • 如果context是通过makecontext取得，则程序调用makecontext函数的第二个参数指向的函数，这时，如果函数返回，则恢复ucp->uc_link，如果func函数返回,则恢复makecontext第一个参数指向的上下文第一个参数指向的上下文context_t中指向的uc_link.如果uc_link为NULL,则线程退出。
void makecontext(ucontext_t *ucp, void (*func)(), int argc, ...);

makecontext修改通过getcontext取得的上下文ucp(这意味着调用makecontext前必须先调用getcontext)。然后给该上下文指定一个栈空间ucp->stack，设置后继的上下文ucp->uc_link.

当上下文通过setcontext或者swapcontext激活后，执行func函数，argc为func的参数个数，后面是func的参数序列。当func执行返回后，继承的上下文被激活，如果继承上下文为NULL时，线程退出。

int swapcontext(ucontext_t *oucp, const ucontext_t *ucp);

保存当前上下文到oucp结构体中，然后激活upc上下文。

如果执行成功，getcontext返回0，setcontext和swapcontext不返回；如果执行失败，getcontext,setcontext,swapcontext返回-1，并设置对于的errno.

简单说来， getcontext获取当前上下文，setcontext设置当前上下文，swapcontext切换上下文，makecontext创建一个新的上下文。

例子

#include <ucontext.h>
#include <stdio.h>int done = 0;int main()
{ucontext_t context;getcontext(&context);if (done){printf("return from getcontext,exit\n");return 0;}done = 1;setcontext(&context);printf("finished");return 0;//never goto here!
}

在这里插入图片描述
程序先调用getcontext保存当前寄存器信息到了context中，然后执行setcontext，所谓的setcontext就是把context中的寄存器信息恢复到当前的寄存器信息，也就是说，强制把context的pc bp sp等值，赋值到了当前cpu的寄存中，显而易见的是，这又跳回去到了getcontext 处。

上面这个goto一样，那用goto就行了？那看下面这个例子（test2.c）：

#include <ucontext.h>
#include <stdio.h>int done = 0;int func1(ucontext_t *context)
{done = 1;setcontext(context);
}
int main()
{ucontext_t context;getcontext(&context);if (done){printf("return from getcontext,exit\n");return 0;}func1(&context);printf("finished");return 0;
}

在这里插入图片描述
goto 一定做不了函数之间的跳转，只能做本地跳转。当然 getcontet 和 setcontext 肯定不仅仅只有这些功能，看下面这个例子。

//test3.c#include <ucontext.h>
#include <stdio.h>
#include <malloc.h>
void func()
{printf("in func\n");
}int main()
{ucontext_t context;getcontext(&context);//指定栈context.uc_stack.ss_sp = malloc(10000);context.uc_stack.ss_size = 10000;context.uc_link = NULL;makecontext(&context, func, 0);setcontext(&context);printf("finished");return 0;//never goto here!
}

在这里插入图片描述

先setcontext初始化context，然后makecontext，指定跳转的函数，然后再setcontext切换context到func函数。

除此之外，还为新的context指定了新的栈，为什么呢？因为如果不指定栈，那么还是getcontext时获取的sp bp指针，sp bp描述的是main函数的栈大小，如果main函数栈大小是100字节，但是你所要指定的fun的栈大小需要1000字节，显然不够用。

看到这，肯定好多人心里很是疑惑，如果执行完func，还会返回到main吗？答是不会。因为这里没有设置后继上下文。

例子：

#include <ucontext.h>
#include <stdio.h>void func1(void * arg)
{puts("1");puts("11");puts("111");puts("1111");}
void context_test()
{char stack[1024*128];ucontext_t child,main;getcontext(&child); //获取当前上下文child.uc_stack.ss_sp = stack;//指定栈空间child.uc_stack.ss_size = sizeof(stack);//指定栈空间大小child.uc_stack.ss_flags = 0;child.uc_link = &main;//设置后继上下文makecontext(&child,(void (*)(void))func1,0);//修改上下文指向func1函数swapcontext(&main,&child);//切换到child上下文，保存当前上下文到mainputs("main");//如果设置了后继上下文，func1函数指向完后会返回此处
}int main()
{context_test();return 0;
}

在context_test中，创建了一个用户线程child,其运行的函数为func1.指定后继上下文为main
func1返回后激活后继上下文，继续执行主函数。
在这里插入图片描述

例子：

#include <ucontext.h>
#include <stdio.h>
#include <malloc.h>
int did = 0;
void func()
{did = 1;printf("in func\n");
}int main()
{ucontext_t context,rt;getcontext(&context);getcontext(&rt);if(did == 1){printf("continue from func\n");return 0;}//指定栈context.uc_stack.ss_sp = malloc(10000);context.uc_stack.ss_size = 10000;context.uc_link = &rt;makecontext(&context, func, 0);setcontext(&context);return 0;//never goto here!
}

在这里插入图片描述
test4.c比test3.c就多个一个对uc_link的赋值（还有一些流程控制变量）。uc_link就指定了func执行完之后，接着执行的上下文，如果为空，则执行完func后，exit，就像test3.c一样；如果uc_link不为空，则执行完func后，接着执行uc_link就指定的上下文。

就如__start_context逻辑一致。

接下来，看test4.c，我们从getcontext(&rt);处返回了，但是能不能从setcontext处返回呢，当然可以，方法1就是getcontext(&rt);返回后，goto到setcontext 后面。但是glibc还提供了一个接口就是swapcontext。且看下面那个例子。

#include <ucontext.h>
#include <stdio.h>
#include <malloc.h>
int did = 0;
void func()
{did = 1;printf("in func\n");
}int main()
{ucontext_t context,rt;getcontext(&context);//指定栈context.uc_stack.ss_sp = malloc(10000);context.uc_stack.ss_size = 10000;context.uc_link = &rt;makecontext(&context, func, 0);swapcontext(&rt,&context);printf("finally return\n");return 0;//should goto here!
}

swapcontext 两件事，一个就是保存当前的上下文，到rt中，然后切换到context。context指定的上下文执行完成之后，就跳到了swapcontext后面了。

注意：这些xxxcontext函数给予了用户态程序“调度的功能”，这和os的调度不同，os是对各个线程，即task_struct进行切换调度，而各个线程内部，也就是用户态程序，可以用上面这些库函数进行颗粒度更小的调度（说切换更合理）。这就是所谓的协程的概念。


http://chatgpt.dhexx.cn/article/ca3wCkR7.shtml

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