CPU上下文切换

CPU上下文：

任务可以运行，是因为一些具有CPU寄存器和程序计数器等硬件条件的CPU上下文环境的支撑。CPU寄存器是CPU内置的容量非常小但是速度极快的存储设备，程序计数器则是CPU在运行任何任务时必要的，里面记录了当前运行任务的行数等信息，这就是CPU上下文

 

上下文切换分类

CPU的上下文切换就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

 

进程上下文切换

在服务器中，进程的运行空间可以分为内核空间和用户空间，内核空间具有最高权限，可以直接访问内存、硬盘等资源，而用户空间，只能访问受限的用户资源，要想访问内存等，需要通过系统调用的方式实现

用户态进入内核态的一种方式就是系统调用，而系统调过程中，同样发生了CPU的上下文切换（CPU寄存器里面原来用户态的指令位置，需要先保存起来，接着运行内核态代码；CPU寄存器需要更新为内核态指令的位置，执行内核态代码）

在系统调用结束后，cpu寄存器需要恢复原来保存的用户态，然后切换为用户空间，所以，一次系统调用的过程中，就会发生两次CPU上下文切换

 

为什么说系统调用是特权模式切换，而不是上下文切换：

这里说的上下文的切换，是指进程的上下文切换，进程是有系统内核管理和调度的，进程的切换只能发生在内核态，所以，进程的上下文包含了虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源，还包含了内存堆栈、寄存器等内核空间的状态，但是系统调用并没有设计到虚拟内存等这些进程用户态的资源，也不会切换进程，只是单纯的进程内的上下文切换，

 

性能对比：

因为进程的上下文切换要比系统调用更多一步，即保存改进程的虚拟内存、栈等用户空间资源，而一次进程上下文切换一般需要几十纳秒到数微秒的CPU时间，所以，当进程的上下文切换次数较多的情况下，将导致cpu在寄存器、内存栈（虚拟内存）等资源的保存和回复上耗费大量时间，另外，Linux通过TLB快表来管理虚拟内存到物理内存的映射关系，当虚拟内存更新之后，需要刷新缓存，在这多处理系统上是很复杂的，因为多个处理器共享一个缓存。故此，综合而言，大量的进程上下文切换会降低系统性能

 

线程上下文切换

线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位，也就是说对于内核中的任务调度是以线程为单位，但是进程只是给线程提供了虚拟内存、全局变量等资源

 

线程的上下文切换分两种：

① 前后两个线程属于不同进程，因为资源不共享，所以这时候的线程上下文切换和进程上下文切换是一致的

② 前后两个线程属于同一个进程，因为虚拟内存是共享的，所以在切换的时候，虚拟内存这些资源保持不动，只有切换线程的私有数据、寄存器等不共享的资源

综上，线程上下文切换比进程上下文切换系统消耗更少

 

中断上下文切换

中断是为了快速响应硬件的事件，简单来shu就是计算机停下当前的事情，去处理其他的事情，然后在回来继续执行之前的任务

当然，中断要先将当前进程的状态保存下来，这样中断结束后进程仍然可以从原来的状态恢复运行，中断上下文的切换并不涉及进程的用户态，所以当中断程序打断了正在处于用户态的进程，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，只需要保存和恢复这个进程的内核态中的资源包括CPU寄存器、内核堆栈等对于同一个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，一般来说中断程序都执行比较快短小精悍，以便快速结束执行之前的任务。当中断上下文切换次数比较多的时候，会耗费大量的CPU

标签：线程,切换,进程,上下文,CPU,虚拟内存
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