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上下文切换通常是计算密集型的，[[操作系统]]中的许多设计都是针对上下文切换的优化。在[[进程]]间切换需要消耗一定的时间进行相关的管理工作——包括[[寄存器]]和[[内存映射]]的保存与读取、更新各种内部的表等等。处理器或者操作系统不同，上下文切换时所涉及的内容也不尽相同。比如在[[Linux内核]]中，上下文切换需要涉及寄存器（register）、[[呼叫堆疊|栈指针]]（stack pointer）、程序[[计数器]]（program counter）的切换，但和[[地址空间]]的切换无关（虽然[[行程|进程]]在进行上下文切换时也需要做地址空间的切换）<ref>''IA-64 Linux Kernel: Design and Implementation'', [http://www.informit.com/articles/article.aspx?p=29961&seqNum=7 4.7 Switching Address Spaces] {{Wayback|url=http://www.informit.com/articles/article.aspx?p=29961&seqNum=7 |date=20180727120551 }}</ref><ref>''Operating Systems'', 5.6 The Context Switch, [https://books.google.com/books?id=orZ0CLxEMXEC&pg=PA118 p. 118] {{Wayback|url=https://books.google.com/books?id=orZ0CLxEMXEC&pg=PA118 |date=20190509231720 }}</ref>。[[纤程|用户态线程]]之间也会发生类似的上下文切换，但这样的切换非常[[轻量级进程|轻量]]。 |
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最常見的，在一些[[排程]]（scheduling）[[算法]]內，其中行程有時候需要暫時離開CPU，讓另一個行程進來CPU運作。在先佔式多工系統中，每一個行程都將輪流執行不定長度的時間，這些時間段落稱為[[时间片]]。如果行程並非自願讓出CPU（例如執行[[I/O]]操作時，行程就需放棄CPU使用權），當時限到時，系統將產生一個定時中斷，[[操作系統|作業系統]]將排定由其它的行程來執行。此機制用以確保CPU不致被較依賴處理器[[运算|運算]]的行程壟斷。若無定時中斷，除非行程自願讓出CPU，否則該行程將持續執行。對於擁有較多I/O[[指令]]的行程，往往執行不了多久，便需要讓出CPU；而較依賴處理器的行程相對而言I/O操作較少，反而能一直持續使用CPU，便形成了[[独占|壟斷]]現象。 |
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=== 中斷處理 === |
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當用戶態和内核态交換發生的時候，並不需要進行上下文交換；並且用戶態和[[内核|kernel]] mode的交換本身並不是一個上下文交換。不過，根據作業系統的不同，有時候會在此時進行一次上下文交換的步驟。 |
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== 上下文交換：具體步驟 == |
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在一次交換中，第一個行程的狀態要被紀錄在某個地方，這樣當排程器 |
在一次交換中，第一個行程的狀態要被紀錄在某個地方，這樣當排程器（scheduler）要回到這個行程時，才可以重建這個行程並且繼續運算。 |
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這裡所謂「行程的狀態」，包含了這個行程使用的所有暫存器（register），特別是[[程式計數器]]；加上所有作業系統可能需要的特定資料。這些資料一般以名為[[行程控制表]]（process control block，PCB）的資料結構儲存起來。 |
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上下文交換主要由軟體實現或由硬體實現。部分中央處理器，比如[[Intel 80386]]<ref>{{Cite web |url=http://www.linfo.org/context_switch.html |title=存档副本 |access-date=2010-02-05 |archive-url=https://web.archive.org/web/20100218115342/http://www.linfo.org/context_switch.html |archive-date=2010-02-18 |dead-url=yes }}</ref>或同系列更高階的處理器，就具備支持上下文交換的硬體設計。 |
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* [http://wiki.osdev.org/Context_Switching Context Switching] - at OSDev.org |
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* [http://www.linfo.org/context_switch.html Context Switch Definition] - by The Linux Information Project (LINFO) |
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上下文交換（英語：context switch），又稱環境切換，電腦術語，是一個儲存和重建CPU的狀態（上下文），因此令多個进程（process）可以分享單一CPU資源的計算過程。要交換CPU上的进程時，必須先行儲存目前进程的狀態，再將欲執行的进程之狀態讀回CPU中。 [1]
开销[编辑]
上下文切换通常是计算密集型的，操作系统中的许多设计都是针对上下文切换的优化。在进程间切换需要消耗一定的时间进行相关的管理工作——包括寄存器和内存映射的保存与读取、更新各种内部的表等等。处理器或者操作系统不同，上下文切换时所涉及的内容也不尽相同。比如在Linux内核中，上下文切换需要涉及寄存器（register）、栈指针（stack pointer）、程序计数器（program counter）的切换，但和地址空间的切换无关（虽然进程在进行上下文切换时也需要做地址空间的切换）[2][3]。用户态线程之间也会发生类似的上下文切换，但这样的切换非常轻量。
交換时机[编辑]
有三種可能的情況會發生上下文交換，分別為：
多工[编辑]
最常見的，在一些排程（scheduling）算法內，其中行程有時候需要暫時離開CPU，讓另一個行程進來CPU運作。在先佔式多工系統中，每一個行程都將輪流執行不定長度的時間，這些時間段落稱為时间片。如果行程並非自願讓出CPU（例如執行I/O操作時，行程就需放棄CPU使用權），當時限到時，系統將產生一個定時中斷，作業系統將排定由其它的行程來執行。此機制用以確保CPU不致被較依賴處理器運算的行程壟斷。若無定時中斷，除非行程自願讓出CPU，否則該行程將持續執行。對於擁有較多I/O指令的行程，往往執行不了多久，便需要讓出CPU；而較依賴處理器的行程相對而言I/O操作較少，反而能一直持續使用CPU，便形成了壟斷現象。
中斷處理[编辑]
在接受到中斷（Interrupt）的時候，CPU必須要進行上下文交換。
用戶态或者内核态的交換[编辑]
當用戶態和内核态交換發生的時候，並不需要進行上下文交換；並且用戶態和kernel mode的交換本身並不是一個上下文交換。不過，根據作業系統的不同，有時候會在此時進行一次上下文交換的步驟。
上下文交換：具體步驟[编辑]
在一次交換中，第一個行程的狀態要被紀錄在某個地方，這樣當排程器（scheduler）要回到這個行程時，才可以重建這個行程並且繼續運算。
這裡所謂「行程的狀態」，包含了這個行程使用的所有暫存器（register），特別是程式計數器；加上所有作業系統可能需要的特定資料。這些資料一般以名為行程控制表（process control block，PCB）的資料結構儲存起來。
上下文交換：由軟體或硬體實現[编辑]
上下文交換主要由軟體實現或由硬體實現。部分中央處理器，比如Intel 80386[4]或同系列更高階的處理器，就具備支持上下文交換的硬體設計。
參考資料[编辑]
- ^ Silberschatz, Abraham; Peter Baer Galvin, Greg Gagne. Operating System Principles 7. John Wiley & Sons (Asia) Pte Ltd. ISBN 0-4717-2595-1.
- ^ IA-64 Linux Kernel: Design and Implementation, 4.7 Switching Address Spaces （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- ^ Operating Systems, 5.6 The Context Switch, p. 118 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- ^ 存档副本. [2010-02-05]. （原始内容存档于2010-02-18）.
外部連結[编辑]
- Context Switching（页面存档备份，存于互联网档案馆） - at OSDev.org
- Context Switch Definition - by The Linux Information Project (LINFO)
- Context Switches - from the Microsoft Developer Network (MSDN)
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