03讲基础篇：经常说的CPU上下文切换是什么意思（上）

Posted 2022-12-05 xiaobao2

1、多任务竞争CPU，cpu变换任务的时候进行CPU上下文切换(context switch)。CPU执行任务有4种方式：进程、线程、或者硬件通过触发信号导致中断的调用。
2、当切换任务的时候，需要记录任务当前的状态和获取下一任务的信息和地址(指针)，这就是上下文的内容。因此，上下文是指某一时间点CPU寄存器(CPU register)和程序计数器(PC)的内容, 广义上还包括内存中进程的虚拟地址映射信息.
3、上下文切换的过程：
(1)记录当前任务的上下文(即寄存器和计算器等所有的状态)；
(2)找到新任务的上下文并加载；
(3)切换到新任务的程序计算器位置，恢复其任务。
4、根据任务的执行形式，相应的下上文切换，有进程上下文切换、线程上下文切换、以及中断上下文切换三类。
5、进程和线程的区别：
进程是资源分配和执行的基本单位；线程是任务调度和运行的基本单位。线程没有资源，进程给指针提供虚拟内存、栈、变量等共享资源，而线程可以共享进程的资源。
6、进程上下文切换：是指从一个进程切换到另一个进程。
(1)进程运行态为内核运行态和进程运行态。内核空间态资源包括内核的堆栈、寄存器等；用户空间态资源包括虚拟内存、栈、变量、正文、数据等
(2)系统调用(软中断)在内核态完成的，需要进行2次CPU上下文切换(用户空间-->内核空间-->用户空间)，不涉及用户态资源，也不会切换进程。
(3)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用户空间的资源，也包括内核空间资源。
(4)进程的上下文切换过程：
(a)接收到切换信号，挂起进程，记录当前进程的虚拟内存、栈等资源存储;
(b)将这个进程在 CPU 中的上下文状态存储于起来;
(c)然后在内存中检索下一个进程的上下文;
(d)并将其加载到 CPU的寄存器中恢复;
(3)还需要刷新进程的虚拟内存和用户栈;
(f)最后跳转到程序计数器所指向的位置（即跳转到进程被中断时的代码行），以恢复该进程。
(5)、下列将会触发进程上下文切换的场景：
(a)、根据调度策略，将CPU时间划片为对应的时间片，当时间片耗尽，当前进程必须挂起。
(b)、资源不足的，在获取到足够资源之前进程挂起。
(c)、进程sleep挂起进程。
(d)、高优先级进程导致当前进度挂起
(e)、硬件中断，导致当前进程挂起
7、线程上下文切换：
(1)、不通进程之间的线程上下文切换，其过程和进程上下文切换大致相同。
(2)、进程内部的线程进上下文切换。不需要切换进程的用户资源，只需要切换线程私有的数据和寄存器等。这会比进程上下文进程切换消耗的资源少，所以多线程相比多进程的优势。
8、中断上下文切换
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。同一CPU内，硬件中断优先级高于进程。切换过程类似于系统调用的时候，不涉及到用户运行态资源。但大量的中断上下文切换同样可能引发性能问题。