什么是上下文切换

时间：2024-09-09 13:20:25    点击量：

首先，需要讲清楚什么是上下文。

每个任务运行前，CPU 都需要知道任务从哪里加载、又从哪里开始运行，这就涉及到 CPU 寄存器 和 程序计数器（PC）：

• CPU 寄存器是 CPU 内置的容量小、但速度极快的内存；
• 程序计数器会存储 CPU 正在执行的指令位置，或者即将执行的指令位置。

这两个是 CPU 运行任何任务前都必须依赖的环境，因此叫做 CPU 上下文。

那么，什么是上下文切换呢？下面是一个上下文切换时需要履行的步骤：

1. 将前一个 CPU 的上下文（也就是 CPU 寄存器和程序计数器里边的内容）保存起来；
2. 然后加载新任务的上下文到寄存器和程序计数器；
3. 最后跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务。

被保存起来的上下文会存储到系统内核中，等待任务重新调度执行时再次加载进来。

CPU 的上下文切换分三种：进程上下文切换、线程上下文切换、中断上下文切换。

Linux 按照特权等级，把进程的运行空间分为内核空间和用户空间：

• 内核空间：具有最高权限，可以访问所有资源；
• 用户空间：只能访问受限资源，不能直接访问内存等硬件设备，必须借助系统调用。

进程可以在用户空间运行（叫作：进程用户态），也可以在内核空间运行（叫作：进程内核态）。从用户态到内核态需要系统调用完成。

系统调用过程中也会发生 CPU 上下文切换。CPU 寄存器会先保存用户态的状态，然后加载内核态相关内容。系统调用结束之后，CPU 寄存器要恢复原来保存的用户态，继续运行进程。所以，一次系统调用，发生两次 CPU 上下文切换。

需要注意的是，系统调用过程中，不涉及虚拟内存等进程用户态的资源，也不会切换进程。与通常所说的进程上下文切换不同：

• 进程上下文切换是指，从一个进程切换到另一个进程；
• 系统调用过程中一直是同一个进程在运行。
  
  

进程是由内核管理和调度的，进程的切换只能发生在内核态。 因此，进程的上下文不但包括虚拟内存、栈、全局变量等用户空间资源，还包括内核堆栈、寄存器等内核空间状态。所以，进程的上下文切换比系统调用多一个步骤：保存当前进程的内核状态和 CPU 寄存器之前，先把该进程的虚拟内存、栈等保存起来；加载下一个进程的内核态后，还需要刷新进程的虚拟内存和用户栈。保存上下文和恢复上下文需要内核在 CPU 上运行才能完成。

Linux 通过 TLB (Translation Lookaside Buffer) 管理虚拟内存到物理内存的映射关系。当虚拟内存更新后，TLB 也需要刷新，内存的访问速度会因此变慢。尤其在多处理器系统上，缓存被多个处理器共享，刷新缓存不仅影响当前处理器的进程，还会影响共享缓存的其他处理器进程。

Linux 会为每个 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 时间来排序，然后选择最需要 CPU 的进程，也就是优先级最高和等待 CPU 时间最长的进程来运行。

进程切换时需要切换上下文，进程切换的场景有：

• 进程时间片耗尽；
• 系统资源不足（如内存不足）；
• 进程通过睡眠函数 sleep 把自己挂起来；
• 当有优先级更高的进程运行时，为了去运行高优先级进程，当前进程会被挂起；
• 发生硬中断，CPU 上的进程会被挂起，然后去执行内核中的中断服务进程。
  
  

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是在调度线程，进程只是给线程提供虚拟内存、全局变量等资源。线程上下文切换时，共享相同的虚拟内存和全局变量等资源不需要修改。而线程自己的私有数据，如栈和寄存器等，上下文切换时需要保存。

线程切换分两种情况：

• 前后两个线程属于不同进程；
• 前后两个线程属于同一个进程（速度更快，消耗更少资源）。
  
  

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，然后调用中断处理程序，响应设备事件。在打断其他进程时，需要先将进程当前的状态保存下来，等中断结束后，进程仍然可以恢复回来。

跟进程上下文不同，中断上下文切换不涉及进程的用户态。所以，即便中断过程打断了一个正处在用户态的进程，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。中断上下文，只包括内核态中断服务程序执行所必需的状态，也就是 CPU 寄存器、内核堆栈、硬件中断参数等。

对同一个 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不会与进程上下文切换同时发生。并且，由于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，以便可以尽快完成。

• 参考极客时间，倪朋飞老师的《Linux性能优化实战》之 03 | 基础篇：经常说的 CPU 上下文切换是什么意思？（上）