操作系统 -- 上下文切换

上下文

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, 这就涉及到cpu寄存器和程序计数器

• cpu寄存器是cpu内置的容量小, 但速度极快的内存
• 程序计数器会存储cpu正在执行的指令位置, 或者即将执行的指令位置

这两个是cpu运行任何人之前都必须依赖的环境, 因此叫做cpu上下文

上下文切换

1. 将前一个cpu的上下文(也就是cpu寄存器和程序计数器里面的内容) 保存起来
2. 然后加载新任务的上下文到寄存器和程序计数器
3. 最后跳转到程序计数器所指的新位置, 开始运行新任务

被保存起来的上下文会存储到系统内核中, 等待任务重新调度执行时, 再次加载进来

cpu的上下文切换分为三种 :

• 进程上下文切换
• 线程上下文切换
• 中断上下文切换

系统调用

进程的运行空间分为内核空间和用户空间

进程可以在用户空间运行 ( 用户态进程 ), 也可以在内核空间运行 ( 内核态进程 ).

从用户态到内核态需要系统调用才可以完成

系统调用过程中也会发生cpu上下文切换, cpu寄存器会先保存用户态的状态, 然后加载内核态相关内容, 系统调用结束之后, cpu寄存器要回复原来保存的用户态, 继续运行进程,

所以, 一次系统调用发生两次cpu上下文切换

需要注意的是 : 系统调用不涉及进程或者线程的切换

进程上下文切换

进程是由内核管理和调度的 , 进程的切换只能发生在内核态

进程的上下文不但包括虚拟内存, 栈, 全局变量等用户空间资源, 还包括内核堆栈, 寄存器等内核空间状态,

上下问的切换比系统调用多了一个步骤, 就是保存当前进程的内核状态和cpu寄存器之前, 先把该进程的虚拟内存, 栈等保存起来

加载下一个进程的内核态后, 还需要刷新进程的虚拟内存和用户栈

保存上下文和恢复上下文需要在内核cpu上运行才能完成

操作系统为cpu维护了一个就绪队列, 将就绪进程按照优先级和等待cpu时间来排序, 然后选择最需要cpu的进程, 也就是优先级最高和等待cpu时间最长的进程来运行

进程切换场景 :

• 进程时间片耗尽
• 系统资源不足
• 进程通过睡眠函数把自己挂起
• 当有优先级更高的进程运行时, 为了运行高优先级进程, 当前进程会被挂起
• 发生中断

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

内核中的任务调度实际是在调度线程

进程只是给线程提供虚拟内存, 全局变量等资源

线程上下文切换时, 共享相同的虚拟内存和全局变量等资源不需要修改, 而线程自己的私有数据, 如栈和寄存器等, 上下文切换时需要保存

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