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Linux系统篇—CPU上下文切换概要

  • 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。

它们都是 CPU 在运行任何任务前,必须的依赖环境,因此也被叫做 CPU 上下文。

CPU 上下文切换

CPU 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。

而这些保存下来的上下文,会存储在系统内核中,并在任务重新调度执行时再次加载进来。这样就能保证任务原来的状态不受影响,让任务看起来还是连续运行。

根据任务的不同,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

进程的运行空间分为内核空间用户空间,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。从用户态到内核态的转变,需要通过系统调用来完成。

  • 内核空间(Ring 0) 具有最高权限,可以直接访问所有资源;
  • 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,必须通过系统调用陷入到内核中,才能访问这些特权资源。

CPU 特权等级图:
image.png

系统调用的过程CPU 上下文的是怎样切换的?

  1. CPU 寄存器里原来用户态的指令位置,需要先保存起来。
  2. 接着,为了执行内核态代码,CPU 寄存器需要更新为内核态指令的新位置。
  3. 最后才是跳转到内核态运行内核任务。
  4. 系统调用结束后,CPU 寄存器需要恢复原来保存的用户态
  5. 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。

tip: 系统调用过程中,并不会涉及到虚拟内存等进程用户态的资源,也不会切换进程。这跟我们通常所说的进程上下文切换是不一样的

  • 进程上下文切换:是指从一个进程切换到另一个进程运行。
  • 系统调用过程:一直是同一个进程运行。通常称为特权模式切换,而不是上下文切换。

进程上下文切换跟系统调用又有什么区别呢?

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。进程的上下文不仅包括了虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源,还包括了内核堆栈、寄存器等内核空间的状态。

区别: 程的上下文切换就比系统调用时多了一步: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。如下图:

image.png

进程上下文切换次数较多会怎样?

很容易导致 CPU 将大量时间耗费在寄存器、内核栈以及虚拟内存等资源的保存和恢复上,进而大大缩短了真正运行进程的时间。导致系统的整体性能大大幅下降也是导致平均负载升高的一个重要因素。

且 Linux 通过 TLB(Translation Lookaside Buffer)来管理虚拟内存到物理内存的映射关系。当虚拟内存更新后,TLB 也需要刷新,内存的访问也会随之变慢。

什么时候会切换进程上下文?

只有在进程调度的时候,才需要切换上下文。Linux 为每个 CPU 都维护了一个就绪队列将活跃进程(即正在运行和正在等待CPU 的进程)按照优先级和等待 CPU 的时间排序,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。

进程在什么时候才会被调度到 CPU 上运行呢?

  • 进程执行完终止了,它之前使用的 CPU 会释放出来,这个时候再从就绪队列里,拿一个新的进程过来运行。
  • 为了保证所有进程可以得到公平调度,CPU 时间被划分为一段段的时间片,这些时间片再被轮流分配给各个进程。这样,当某个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,这个时候进程也会被挂起,并由系统调度其他进程运行。
  • 当进程通过睡眠函数 sleep 这样的方法将自己主动挂起时,自然也会重新调度。
  • 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。
  • 发生硬件中断时,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。

线程上下文切换

线程与进程的区别

线程是调度的基本单位,而进程则是资源拥有的基本单位。 说白了,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。

两种情况

  1. 前后两个线程属于不同进程。此时,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。
  2. 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。

虽然同为上下文切换,但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

中断上下文切换

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。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。同样道理,由于中断会打断正常进程的调度和执行,所以大部分中断处理程序都短小精悍,以便尽可能快的执行结束。

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