上下文切换，CPU上下文介绍

Posted 2021-12-24 jaminxie

1.什么是上下文？

Linux是一个多任务的操作系统，它支持远大于CPU数量的任务同时运行，当然，这些任务实际上并不是真正的在同时运行，而是系统在很短的时间内，将CPU轮流分配给他们，给用户造成很多任务同时运行的错觉。

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

综上所述，我们就有答案了

什么是上下文：

我们通常说的上下文又叫CPU上下文，是CPU运行任何任务前，必须依赖的环境，包括CPU 寄存器和程序计数器

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。

2.上下文切换详细介绍

根据CPU切换运行任务的不同，又可以分为进程上下文切换、线程上下文切换、中断上下文切换

我们先了解下面2个上下文切换涉及的知识点系统调用、进程运行态

进程的运行态：

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 。在这两种空间中运行的进程状态分别称为内核态和用户态。

• 内核空间(Ring 0)：具有最高权限，可以直接访问所有资源（读取文件，）

  • 分配内存、IO操作、创建子进程……都是内核操作。这也表明，当IO操作频繁时，System参数会很高。

• 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，必须通过系统调用进入到内核中，才能访问这些特权资源

  • 典型的用户态空间程序有：Shells、数据库、web服务器、php程序、Java程序……

在linux系统使用top命令查看cpu时，能看到user和system两项，对应的就是用户态和内核态占用的cpu资源

如上，我们的web服务是运行在用户态下的，对文件的io没有权限，当需要读取文件时，就涉及到系统调用了

系统调用：

从用户态到内核态的转变，需要通过系统调用来完成。比如查看文件时，需要执行多次系统调用：open、read、write、close等。系统调用的过程如下：

• 把 CPU 寄存器里原来用户态的指令位置保存起来；

• 为了执行内核代码，CPU 寄存器需要更新为内核态指令的新位置，最后跳转到内核态运行内核任务；

• 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。

进程上下文切换？

• 进程执行终止，它之前顺颂的CPU就会被释放出来，这时就从就绪队列中取出下一个等待时间片的进程；

• 当某个进程的时间片耗尽，它就会被系统挂起，切换到其他等待CPU的进程运行；

• 某个进程因为需要的系统资源比较大(比如内存不足),这时候该进程会被挂起，系统会调度其他进程执行；

• 当有优先级更高的进程(系统操作进程)需要时间片，为了保证优先级更高的进程能够执行，当前进程会被挂起；

• 如果当前进程中有sleep函数，他也会被挂起；

线程的上下文切换？

对操作系统来说，线程是最小的执行单元，进程是最小的资源管理单元。说白了，所谓内核中的任务调用，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。所以，对于现场和进程，我们可以这么理解：

• 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，这些线程会共享父进程的资源（即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。

综上，线程上下文切换有两种情况：

• 前后两个线程属于不同进程，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，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。

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。

 

小结

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妙的CPU时间，这个时间还是相当可观的。

不管是哪种场景导致的上下文切换，你都应该知道：

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情况下不需要我们特别关注。

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。