上下文切换

上下文切换（Context Switch），也称为PCB，性质为环境切换。


上下文切换，有时也称做进程切换或任务切换，是指CPU 从一个进程或线程切换到另一个进程或线程。


中文名
上下文切换
外文名
Context Switch
性质
切换
进程控制块
也称为PCB
简介
上下文切换（Context Switch） 或者环境切换
在操作系统中，CPU切换到另一个进程需要保存当前进程的状态并恢复另一个进程的状态：当前运行任务转为就绪（或者挂起、删除）状态，另一个被选定的就绪任务成为当前任务。上下文切换包括保存当前任务的运行环境，恢复将要运行任务的运行环境。
进程上下文用进程的PCB（进程控制块,也称为PCB，即任务控制块）表示，它包括进程状态，CPU寄存器的值等。
通常通过执行一个状态保存来保存CPU当前状态，然后执行一个状态恢复重新开始运行。
支持多任务处理是CPU设计史上最大的跨越之一。在计算机中，多任务处理是指同时运行两个或多个程序。从使用者的角度来看，这看起来并不复杂或者难以实现，但是它确实是计算机设计史上一次大的飞跃。在多任务处理系统中，CPU需要处理所有程序的操作，当用户来回切换它们时，需要记录这些程序执行到哪里。上下文切换就是这样一个过程，他允许CPU记录并恢复各种正在运行程序的状态，使它能够完成切换操作。
在上下文切换过程中，CPU会停止处理当前运行的程序，并保存当前程序运行的具体位置以便之后继续运行。从这个角度来看，上下文切换有点像我们同时阅读几本书，在来回切换书本的同时我们需要记住每本书当前读到的页码。在程序中，上下文切换过程中的“页码”信息是保存在进程控制块（PCB）中的。PCB还经常被称作“切换帧”（switchframe）。“页码”信息会一直保存到CPU的内存中，直到他们被再次使用。
在三种情况下可能会发生上下文切换：中断处理，多任务处理，用户态切换。在中断处理中，其他程序”打断”了当前正在运行的程序。当CPU接收到中断请求时，会在正在运行的程序和发起中断请求的程序之间进行一次上下文切换。在多任务处理中，CPU会在不同程序之间来回切换，每个程序都有相应的处理时间片，CPU在两个时间片的间隔中进行上下文切换。对于一些操作系统，当进行用户态切换时也会进行一次上下文切换，虽然这不是必须的。
操作系统或者计算机硬件都支持上下文切换。一些现代操作系统通过系统本身来控制上下文切换，整个切换过程中并不依赖于硬件的支持，这样做可以让操作系统保存更多的上下文切换信息
上下文切换的消耗
上下文切换通常是计算密集型的。也就是说，它需要相当可观的处理器时间，在每秒几十上百次的切换中，每次切换都需要纳秒量级的时间。所以，上下文切换对系统来说意味着消耗大量的 CPU 时间，事实上，可能是操作系统中时间消耗最大的操作。
性能影响
上下文切换会对性能造成负面影响。一些上下文切换相对其他切换而言更加昂贵；其中一个更昂贵的上下文切换是跨核上下文切换（Cross-Core Context Switch）。一个线程可以运行在一个专用处理器上，也可以跨处理器。由单个处理器服务的线程都有处理器关联（Processor Affinity），这样会更加有效。在另一个处理器内核抢占和调度线程会引起缓存丢失，作为缓存丢失和过度上下文切换的结果要访问本地内存。总之，这称为“跨核上下文切换”。[1]
上下文切换与模式切换
上下文切换只能发生在内核态中。内核态是 CPU 的一种有特权的模式，在这种模式下只有内核运行并且可以访问所有内存和其他系统资源。其他的程序，如应用程序，在最开始都是运行在用户态，但是他们能通过系统调用来运行部分内核的代码。系统调用在类 Unix 系统中是指活跃的进程（正在运行在 CPU 上的进程）对于内核所提供的服务的请求，例如输入/输出（I/O）和进程创建（创建一个新的进程）。I/O 可以被定义为任何信息流入或流出 CPU 与主内存（RAM）。也就是说，一台电脑的 CPU和内存与该电脑的用户（通过键盘或鼠标）、存储设备（硬盘或磁盘驱动）还有其他电脑的任何交流都是 I/O。
　　这两种模式（用户态和内核态）在类 Unix 系统中共存意味着当系统调用发生时 CPU 切换到内核态是必要的。这应该叫做模式切换而不是上下文切换，因为没有改变当前的进程。
　　上下文切换在多任务操作系统中是一个必须的特性。多任务操作系统是指多个进程运行在一个 CPU 中互不打扰，看起来像同时运行一样。这个并行的错觉是由于上下文在高速的切换（每秒几十上百次）。当某一进程自愿放弃它的 CPU 时间或者系统分配的时间片用完时，就会发生上下文切换。
　　上下文切换有时也因硬件中断而触发。硬件中断是指硬件设备（如键盘、鼠标、调试解调器、系统时钟）给内核发送的一个信号，该信号表示一个事件（如按键、鼠标移动、从网络连接接收到数据）发生了。