CPU上下文切换原理

CPU上下文

CPU上下文切换

进程上下文切换

进程在用户空间运行时，被称为进程的用户态，而陷入内核空间的时候，被称为进程的内核态。
进程从用户态到内核态的转变，需要通过系统调用来完成；系统调用会造成CPU上下文切换：

• 首先，保存CPU寄存器里原来用户态的指令位置。
• 然后，更新CPU寄存器为内核态指令的新位置以执行内核代码。
• 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，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。

进程的上下文切换比系统调用多了一步，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。
保存和恢复的行为都需要内核在CPU上运行才能完成；而每次上下文切换都需要几十纳秒到数微秒的CPU时间。

进程调度到CPU上运行的时机：

• 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。
• 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；此时进程会被挂起，并由系统调度其他进程运行。
• 进程通过睡眠函数sleep()这样的方法将自己主动挂起时，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。
• 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

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，进程即等于线程。
• 当进程拥有多个线程时，线程会共享相同的虚拟内存和全局变量等资源。

线程的上下文切换可以分为两种情况：

• 前后两个线程属于不同进程；此时，因为资源不共享，切换过程等同于进程上下文切换。
• 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。

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。

中断上下文切

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。
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。
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需的状态，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，所以中断上下文切换并不会与进程上下文切换同时发生。