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。get="_blank">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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stdcall、cdecl、pascal在什么方面有所不同
cdecl 由调用者清除堆栈 stdcall 由被调的函数清除堆栈 fastcall 是把函数参数列表的前三个参数放入寄存器eax,edx,ecx,其他参数压栈。 _stdcall 与 _cdecl 的区别 几乎我们写的每一个WINDOWS API函数都是__stdcall类型的，首先，需要了解两者之间的区别： WINDOWS的函数调用时需要用到栈（STACK，一种先入后出的存储结构）。 当函数调用完成后，栈需要清除，这里就是问题的关键，如何清除？？如果我们的函数使用了_cdecl，那么栈的清除工作是由调用者，用COM的术语来讲就是客户来完成的。 这样带来了一个棘手的问题，不同的编译器产生栈的方式不尽相同，那么调用者能否正常的完成清除工作呢？答案是不能。 如果使用__stdcall，上面的问题就解决了，函数自己解决清除工作。 所以，在跨（开发）平台的调用中，我们都使用__stdcall（虽然有时是以WINAPI的样子出现）。 那么为什么还需要_cdecl呢？当我们遇到这样的函数如 fprintf()它的参数是可变的，不定长的，被调用者事先无法知道参数的长度，事后的清除工作也无法正常的进行，因此，这种情况我们只能使用 _cdecl。 到这里我们有一个结论，如果你的程序中没有涉及可变参数，最好使用__stdcall关键字。 另： _cdecl 按从右至左的顺序压参数入栈，由调用者把参数弹出栈。 对于“C”函数或者变量，修饰名是在函数名前加下划线。 对于“C++”函数，有所不同。 如函数void test(void)的修饰名是_test；对于不属于一个类的“C++”全局函数，修饰名是?test@@ZAXXZ。 这是MFC缺省调用约定。 由于是调用者负责把参数弹出栈，所以可以给函数定义个数不定的参数，如printf函数。 stdcall 和pascal一样,都是pascal的调用习惯 按从右至左的顺序压参数入栈，由被调用者把参数弹出栈。 对于“C”函数或者变量，修饰名以下划线为前缀，然后是函数名，然后是符号“@”及参数的字节数，如函数int func(int a, double b)的修饰名是_func@12。 对于“C++”函数，则有所不同。
递归与非递归的比较（从代码量、执行效率两个角度）作答
递归的代码量比非递归的代码量少，因为非递归需要额外的变量记录当前所处的位置信息，以及额外的控制语句。 而递归所使用的方式是函数调用，这是非常自然的栈结构，不需要记录位置信息，不需要添加控制语句，这些工作都由函数调用的特性解决了。
递归的执行效率比非递归的执行效率低，因为递归的实质是函数调用，而函数调用必然要进行线程栈空间的分配，记录每一次函数调用前的状态等工作，开销是比较大的。 而非递归则不需要进行这些工作。
什么是递归算法？
递归做为一种算法在程序设计语言中广泛应用.是指函数/过程/子程序在运行过程序中直接或间接调用自身而产生的重入现像.程序调用自身的编程技巧称为递归（ recursion）。 一个过程或函数在其定义或说明中又直接或间接调用自身的一种方法，它通常把一个大型复杂的问题层层转化为一个与原问题相似的规模较小的问题来求解，递归策略只需少量的程序就可描述出解题过程所需要的多次重复计算，大大地减少了程序的代码量。 递归的能力在于用有限的语句来定义对象的无限集合。 用递归思想写出的程序往往十分简洁易懂。 一般来说，递归需要有边界条件、递归前进段和递归返回段。 当边界条件不满足时，递归前进；当边界条件满足时，递归返回。 注意：(1) 递归就是在过程或函数里调用自身;(2) 在使用递增归策略时，必须有一个明确的递归结束条件，称为递归出口，否则将无限进行下去（死锁）。 递归算法一般用于解决三类问题：(1)数据的定义是按递归定义的。 (Fibonacci函数)(2)问题解法按递归算法实现。 (回溯)(3)数据的结构形式是按递归定义的。 (树的遍历，图的搜索)递归的缺点：递归算法解题的运行效率较低。 在递归调用的过程当中系统为每一层的返回点、局部量等开辟了栈来存储。 递归次数过多容易造成栈溢出等。
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