CPU上下文切换

前言#

Linux 是一个多任务操作系统，它支持远大于 CPU 数量的任务同时运行。CPU时间片的分配，任务可以轮流运行。

任务运行前，CPU需要知道从哪里加载指令、下一条指令的地址、操作数。需要系统事先设置好CPU 寄存器和程序计数器（Program Counter，PC）。

CPU 上下文#

• 寄存器 + 程序计数器PC。都是 CPU 在运行任何任务前，必须的依赖环境。

CPU 上下文切换#

• 把前一个任务的CPU上下文保存起来，然后加载下一个任务的CPU上下文的过程。

系统调用#

• 用户态到内核态切换通过系统调用来完成
• 一次系统调用的过程，其实是发生了两次 CPU 上下文切换。
• 不会涉及到虚拟内存等进程用户态的资源，也不会切换进程。一直是同一个进程在运行。
• 系统调用过程通常称为特权模式切换，而不是上下文切换

CPU 的上下文切换分类：根据任务的不同#

进程上下文切换#

• 指从一个进程切换到另一个进程运行
• 是由内核来管理和调度的，所以进程的切换只能发生在内核态
• 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。

根据 Tsuna 的测试报告，每次上下文切换都需要几十纳秒到数微秒的 CPU 时间。这个时间还是相当可观的，特别是在进程上下文切换次数较多的情况下，很容易导致 CPU 将大量时间耗费在寄存器、内核栈以及虚拟内存等资源的保存和恢复上，进而大大缩短了真正运行进程的时间。这也正是上一节中我们所讲的，导致平均负载升高的一个重要因素。

另外，我们知道， Linux 通过 TLB（Translation Lookaside Buffer）来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，内存的访问也会随之变慢。特别是在多处理器系统上，缓存是被多个处理器共享的，刷新缓存不仅会影响当前处理器的进程，还会影响共享缓存的其他处理器的进程。

进程切换场景：

Linux 为每个 CPU 都维护了一个就绪队列，将活跃进程（即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。

进程执行完终止了，它之前使用的 CPU 会释放出来，这个时候再从就绪队列里，拿一个新的进程过来运行.

1. 为了保证所有进程可以得到公平调度，CPU 时间被划分为一段段的时间片，这些时间片再被轮流分配给各个进程。这样，当某个进程的时间片耗尽了，就会被系统挂起，切换到其它正在等待 CPU 的进程运行。
2. 进程在系统资源不足（比如内存不足）时，要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。
3. 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。
4. 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。
5. 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服务程序。

线程上下文切换#

• 线程与进程最大的区别在于，线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位。

• 所谓内核中的任务调度，实际上的调度对象是线程；而进程只是给线程提供了虚拟内存、全局变量等资源。

• 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。
• 另外，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。

线程切换场景：

1. 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。
2. 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。

进程内线程的切换由于不需要加载虚拟内存、全局变量，消耗资源更少。线程比进程的优势。

中断上下文切换#

• 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，就需要将进程当前的状态保存下来，这样在中断结束后，进程仍然可以从原来的状态恢复运行。
• 跟进程上下文不同，中断上下文切换并不涉及到进程的用户态。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。只包括内核态中断服务程序执行所必需的状态，包括 CPU 寄存器、内核堆栈、硬件中断参数等。
• 同一个 CPU 来说，中断处理比进程拥有更高的优先级。中断上下文切换并不会与进程上下文切换同时发生。
• 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

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。
2. ​ 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。

参考#

Context Switch Definition
缓存一致性