linux中的上下文切换

在linux中上下文切换主要包括:

  • CPU上下文切换
  • 进程上下文切换
  • 线程上下文切换
  • 中断上下文切换

下面我们接着分别对他们进行介绍分析.

CPU上下文切换

在每个任务运行前，CPU都需要知道任务从哪里加载、又从哪里开始运行、也就是说，需要系统事先给他设置好 CPU 寄存器和程序计数器（Program Counter， 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：是用来存储 CPU 正在执行的指令位置、或者即将执行的下一条指令位置。

它们都是 CPU 在运行任何任务前，比如的依赖环境，因此也被叫做 CPU 上下文。

这里的上下文切换：就是先把前一个任务的 CPU 上下文（也就是 CPU 寄存器和程序计数器）保存起来，然后加载新任务的上下文到这些寄存器和程序计数器，最后再跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务。 CPU 的上下文切换可以分为进程上下文切换、线程上下文切换以及中断上下文切换。

CPU 上下文切换需要注意是:

  • 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情况下不需要我们特别关注。
  • 但过多的上下文切换，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.

进程上下文切换

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（Ring 0）具有最高权限，可以直接访问所有资源。
  • 用户空间（Ring 3）只能访问受限资源，不能直接访问内存等硬件设备，必须通过系统调用陷入到内核中，才能访问这些特权资源。

进程上下文切换和系统调用的区别:

进程是由内核来管理和调度的，进程的切换只能发生在内核态。所以，进程的上下文不仅包括了虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源，还包括了内核堆栈、寄存器等内核空间的状态。 系统调用过程中，并不涉及到虚拟内存等进程用户态的资源，也不会切换进程。

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

因此，进程的上下文切换比系统调用时多了一步：在保存当前进程的内核状态和 CPU 寄存器之前，需要先把该进程的虚拟内存、栈等保存下来；而加载了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。

那么在什么时候会切换进程上文呢?

进程执行终止，它之前使用的 CPU 会释放出来，这时再从就绪队列里，拿一个新的进程过来运行。

  • 当某个进程的时间片耗尽了，就会被系统挂起，切换到其他正在等待 CPU 的进程进行
  • 进程在系统资源不足（比如内存不足）时，等到资源满足后才可以运行，这个时候进程也会被挂起，并由系统调度其他进程运行。
  • 当进程通过睡眠函数 sleep 这样的方法将自己主动挂起时，自然也会重新调度。
  • 当有优先级更高的进程运行时，为了保证高优先级进程的运行，当前进程会被挂起，由高优先级进程来运行。
  • 发生硬件中断时，CPU 上的进程会被中断挂起，转而执行内核中的中断程序服务。

线程上下文切换

线程和进程的区别:

  • 线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位。
  • 当进程只有一个线程时，可以认为进程就等于线程。
  • 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。这些资源在上下文切换时是不需要修改的。
  • 线程也有自己的私有数据，比如栈和寄存器等，这些在上下文切换时也是需要保存的。

线程的上下文切换两种情况:

  • 前后两个线程属于不同进程。此时，因为资源不共享，所以切换过程就跟进程上下文切换是一样的。
  • 前后两个线程属于同一个进程。此时，因为虚拟内存是共享的，所以在切换时，虚拟内存这些资源就保持不动，只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据。

中断上下文切换

中断处理会打断进程的正常调度和执行。在打断其他进程时，需要将进程当前的状态保存下来，中断结束后，进程仍然可以从原来的状态恢复运行。

进程上下文切换和中断上下文切换的区别:

  • 中断上下文切换并不涉及到进程的用户态。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，其实只包括内核态中断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。

  • 对同一个 CPU 来说，中断处理比进程拥有更高的优先级。

进程上下文切换和中断上文切换的相同之处.

  • 都需要消耗 CPU，切换次数过多会耗费大量 CPU，甚至严重降低系统的整体性能。