什么是CPU上下文切换

电玩女神 2022-02-15 10:00 435阅读 0赞

### 什么是CPU上下文切换 ###

*  系统任务
 *  进程上下文切换
 *   *  系统调用
     *  系统调用的步骤
     *  进程上下文切换步骤
     *  进程上下文切换代价
     *  进程上下文切换的时机
     *  进程调度场景
 *  线程上下文切换
 *   *  线程和进程最大区别
     *  线程上下文切换的两种情况
     *  总结
 *  中断上下问切换
 *   *  中断和进程上下文区别
     *  总结

# 系统任务 #

系统中有三种任务：

1.  线程
2.  进程
3.  硬件触发信号，导致中断处理

根据任务不同，CPU上下文切换也分为三种

1.  线程上下文切换
2.  进程上下文切换
3.  中断处理上下文切换

# 进程上下文切换 #

从一个进程切换到另一个进程运行，而系统调用是同一个进程的用户态和内核态切换。

## 系统调用 ##

进程拥有用户态和内核态两种空间，进程可以在用户空间运行也可以在内核空间运行。进程从用户态转变到内核态运行时，需要通过系统调用完成。

## 系统调用的步骤 ##

1.CPU寄存器里原来用户态的指令位置先保存，执行内核代码，CPU寄存器需要更新为内核态指令的位置，调到内核态运行内核任务。  
2.系统调用结束后，CPU寄存器回复原来保存的用户态，切换到用户控件，继续运行进程。  
系统调用总结：一次系统调用的过程，发生两次PCU上下文切换。但不会涉及到虚拟内存等进程用户态的资源，一直在同一个进程中运行，也不会切换进程。所以系统调用通常称为特权模式切换，而不是上下文切换。

## 进程上下文切换步骤 ##

1.保存进程的虚拟内存、栈等保存，然后保存进程内核状态和CPU寄存器  
2.加载下一个进程的内核态，刷新进程的虚拟内存和用户栈

## 进程上下文切换代价 ##

1.寄存器、内核栈以及虚拟内存的保存和恢复每次需要即使纳秒到数微妙的CPU时间。  
2.TLB（Translation Lookaside Buffer)管理虚拟内存到物理内存的映射关系。虚拟内存更新后，TLB需要刷新，内存访问变慢。多处理系统，缓存是多处理器共享，刷新缓存影响其他处理起的进程。

## 进程上下文切换的时机 ##

只有在进程调度的时候才需要切换上下文。

Linux为每个CPU都维护一个就绪队列，将活跃进程（正在运行和正在等待CPU的进程）按照优先级和等待CPU的时间排序，然后选择优先级最高和等待CPU时间最长的的进程运行。

## 进程调度场景 ##

1.CPU被划分为一段段时间片，轮流分给各个进程。进程时间片耗尽，被系统挂起，从就绪队列中拿一个新的进程运行  
2.进程资源不足（内存不足）时，等待资源满足才运行，这时也会被挂起，系统调度其他进程运行  
3.进程调用sleep休眠函数主动挂起  
4.更高优先级的进程运行，当前进程被挂起  
5.发生硬件中断时，CPU上进程被挂起，转而执行内核中断服务程序

# 线程上下文切换 #

## 线程和进程最大区别 ##

线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位。内核中的任务调度，实际上调度的对象是线程；而进程只是给线程提供了虚拟内存、全局变量等资源。  
1.当进程只有一个线程时，可以任务进程等于线程  
2.当进程拥有多个线程时，这些线程会共享相同的虚拟内存和全局变量等资源。这些资源在同一个进程的多个线程上线文切换时不需要修改  
3.线程有自己的私有数据，如栈和寄存器，在线程上下文切换时需要保存

## 线程上下文切换的两种情况 ##

1.不同进程的线程切换。资源不共享，所以切换过程跟进程上下文切换是一样的  
2.一个进程中的线程切换。共享进程资源，虚拟内存和全局变量等资源保持不变，只需切换线程私有数据，栈和寄存器数据。

## 总结 ##

线程上下文切换中，同进程的线程切换，比进程间切换消耗资源更少，多线程比多进程更有优势。

# 中断上下问切换 #

为了快速响应硬件的事件，中断处理会打断进程的正常调度和执行，转而调用中断处理程序，响应设备事件。而在打断其他进程时，需要将进程当前的状态保存下来，在中断结束后，进程仍然可以从原来的状态恢复运行。

## 中断和进程上下文区别 ##

中断上下文切换并不涉及到进程的用户态。所以即便过程中打断了一个正处在用户态进程，也不需要保存和恢复这个进程的虚拟内存、全局变量等用户态资源。  
中断上线文，其实只包括内核态终端服务程序执行所必须的状态，包括CPU寄存器、内核堆栈、硬件中断参数等。

对于一个CPU来说，中断处理比进程拥有更高的优先级，所以中断上下文切换并不会与进程上下文同时发生。  
中断会打断正常进程的调度和执行，所以大部分中断处理程序都短小精悍，以便尽可能快的执行结束。  
中断上下文切换也需要消耗CPU，切换次数哦过多也会耗费大量CPU，甚至严重降低系统的整体性能

## 总结 ##

1.  CPU上下文切换，是保证Linux系统正常工作的核心功能之一，一般不需要特别关注
2.  过多的上下文切换，会把CPU时间消耗在寄存器、内核栈以及虚拟内存等数据的保存和恢复上，从而缩短进程真正运行的时间，导致系统的整体性能大幅下降。