上下文切换
复习
- 程序如何变成进程：区分静态的程序文件和运行中的进程
- 进程的创建与结束：父子进程、退出状态和资源回收
- 进程控制块与进程状态：内核在哪里记录进程，以及三种状态的含义
TL;DR
- 上下文就是一个进程当前的运行现场：PC、寄存器、栈等
- 上下文切换：保存当前进程的现场，恢复下一个进程的现场
- 切换由内核完成，是实现“同时运行多个程序”的关键
- 切换本身不干“有用功”，还伴随额外开销，因此不宜过于频繁
正文
就绪队列里排着好几个进程，可 CPU 只有一个。让谁上？跑一会儿之后，又该怎么换人？
换人这件事的关键，在于记住上一个人做到哪了。
上下文是什么
一个进程正在运行时，它的全部“现场”都体现在 CPU 的状态里：
- PC 指向哪条指令
- 各个寄存器里是什么值
- 栈指针指向哪里
- 它正在用哪片内存
这些信息合起来，就叫进程的上下文（context）。只要把上下文原样恢复，进程就能像从没被打断过一样继续跑。
切换的三步
上下文切换（context switch）大致分三步：
- 保存：把当前进程的 PC、寄存器等，存进它的 PCB
- 选择：内核从就绪队列里挑出下一个要运行的进程
- 恢复：从那个进程的 PCB 里，把它的现场装回 CPU
做完这三步，CPU 上跑的就已经是另一个进程了。
进程 A 运行
│ 保存 A 的上下文到 A 的 PCB
│ 从就绪队列选中 B
│ 从 B 的 PCB 恢复 B 的上下文
▼
进程 B 运行
好比两个人接力做同一道题：第一个人做一半要走，先把“算到哪一步、草稿写了什么”记下来；第二个人接手时，照着记下的内容接着算。题没变，只是换了个脑子。
切换的开销
上下文切换让“多个程序同时运行”成为可能，但它并不便宜：
- 保存和恢复现场本身就要花时间，这段工夫不推进任何进程
- 切换会打乱 CPU 内部为当前进程做的优化，比如缓存和流水线
所以，切换太频繁会拖慢整体效率。好的调度，既要让大家都有机会跑，又要尽量减少无谓的切换。
什么时候切换
切换不会无缘无故发生，通常由这几件事引起：
- 时间片用完：一个进程跑了足够久，该让位了
- 主动阻塞：进程要等 I/O，主动让出 CPU
- 被更高优先级的进程打断：来了更要紧的事
到这里，进程“轮流上 CPU”的机制就通了。可到底该让谁先上、上多久？这属于操作系统的另一个核心话题——调度。下一章，我们先看看调度要解决哪些矛盾。
思考题
如果上下文切换不需要保存和恢复现场，直接让两个进程“混着跑”，会出什么问题？为什么“保存现场”是不可省略的一步？
小结
知识点
- 上下文是进程的运行现场：PC、寄存器、栈等
- 上下文切换：保存当前、选择下一个、恢复下一个
- 切换是分时多任务的基础，但有开销
- 切换常由时间片耗尽、阻塞或更高优先级打断引起
参考资料
- Wikipedia(zh)：上下文切换：context switch
- Wikipedia(zh)：进程控制块：现场的保存位置
思考题答案（仅供参考）
如果两个进程“混着跑”，它们会共用同一组寄存器和 PC：A 刚把一个中间结果放进寄存器，B 立刻把它覆盖掉；PC 也会在两条指令流之间乱跳。结果就是两边都算错。保存现场的意义，正是把每个进程的“进度”完整地存起来，互不覆盖；恢复现场，则是让它接着自己的进度继续。少了这一步，就没法把一个 CPU 安全地分给多个进程。
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设计师 | 南国微雪