上下文切换到底是什么？

Posted 2022-02-05 张维鹏

1、内核空间的用户空间：

        用户态和内核态是操作系统的两种运行状态，划分为这两种空间状态主要是为了对应用程序的访问能力进行限制，防止应用程序随意进行一些危险的操作导致系统崩溃，比如设置时钟、内存清理，这些都需要在内核态下完成

• 内核态：内核态运行的程序可以访问计算机的任何数据和资源，不受限制，比如外围设备网卡、硬盘等，而在用户态状态下的线程是没有权限访问这些资源的。处于内核态的 CPU 可以从一个程序切换到另外一个程序，并且所占用的 CPU 不会发生抢占情况。
• 用户态：用户态运行的程序只能受限地访问内存空间，只能直接读取用户程序的数据，不允许访问外围设备，用户态下所占有的 CPU 能够被其他程序抢占，不允许独占

        如果应用程序需要使用到内核空间的资源，则需要通过系统调用来完成，从用户空间切换到内核空间，直到完成相关的操作后再切合用户空间，两种状态间的切换，就涉及到 CPU 的上下文切换

2、系统调用的 CPU 上下文切换：

系统调用过程中是如何发生 CPU 上下文的切换的呢？我们再了解两个概念：

（1）CPU 寄存器，是 CPU 内置的容量小、但速度极快的内存。

（2）程序计数器，则是用来存储 CPU 正在执行的指令位置以及即将执行的下一条指令位置。

        CPU 寄存器和程序计数器都是 CPU 在运行任何任务时必须的依赖环境，因此也被叫做 CPU 上下文。而 CPU 上下文切换，就是先把前一个任务的 CPU 上下文保存起来，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。而这些保存下来的上下文，会存储在系统内核中，并在任务重新调度执行时再次加载进来。这样就能保证任务原来的状态不受影响，让任务看起来还是连续运行。

        回到系统调用的问题上，为了切换到内核态，需要先保存 CPU 寄存器中用户态的指令位置，然后更新 CPU 寄存器为内核态指令的新位置，最后跳转到内核态运行内核任务。而系统调用结束后，CPU 寄存器需要恢复原来保存的用户态，然后再切换到用户空间，继续运行进程。所以，一次系统调用的过程，其实是发生了两次 CPU 上下文切换。

3、系统调用的上下文切换与进程的上下文切换：

        系统调用过程中，跟我们常说的进程上下文切换是不一样的：进程上下文切换是指从一个进程切换到另一个进程运行，而系统调用过程中一直是同一个进程在运行，不会切换线程。那么两者的具体区别呢？首先，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。因此，进程的上下文切换就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，而加载了下一进程的内核态后，还需要刷新进程的虚拟内存和用户栈。

        上下文的保存和恢复过程是有成本的，需要内核在 CPU 上完成，每次切换都需要几十纳秒到数微秒的 CPU 时间，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。

4、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。内核中的任务调度，实际上的调度对象是线程；同一个进程中的所有线程共享进程的虚拟内存、全局变量等资源。这么一来，线程的上下文切换其实就可以分为两种情况：

（1）第一种，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，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的修改

（2）第二种，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、全局变量这些资源就保持不动，只需要切换线程的私有数据，比如栈和寄存器等不共享的数据。

        所以虽然同为上下文切换，但同进程内的线程切换，要比多进程间的切换消耗更少的资源，而这，也正是多线程代替多进程的一个优势。