深入探究contextswitch

一、contextswitch的概念

contextswitch（上下文切換）是指操作系統暫停當前正在執行的進程，保存該進程的狀態（上下文），並將CPU執行的狀態切換到另一個就緒進程上，恢復該進程的狀態，使其繼續執行。

在單核CPU的情況下，CPU的時間片被劃分成若干個時間片，每個時間片都由一個進程佔用，進程執行完或者被喚醒後，就進行contextswitch。

在多核CPU的情況下，多個進程同時被處理，每個核心上的進程都有自己的時間片，所以contextswitch的操作會在多個核心之間進行。

二、contextswitch的過程

contextswitch的過程大概可以分為以下幾個步驟：

1、當前進程被暫停。

2、內核中將當前進程的上下文（CPU狀態、寄存器信息等）保存到進程控制塊（PCB）中。

3、進程調度器選取下一個就緒進程。

4、內核中將下一個進程的上下文從進程控制塊中恢復，設置為CPU的當前上下文。

5、新進程開始執行。

三、contextswitch的作用

1、實現多任務：在多任務操作系統中，contextswitch提供了用於切換不同進程的機制，使得多個進程可以在CPU上交替執行，實現並行處理。

2、避免死鎖：當某個進程發生死鎖時，其它進程可以通過contextswitch切換到其它進程，在一定程度上避免了死鎖的發生。

3、提升系統的響應性：contextswitch可以讓不同的進程依次使用CPU，從而提高系統的並發程度，進而提升系統的響應速度。

四、contextswitch的代碼實例

void contextswitch(task_struct *prev, task_struct *next)
{
    /* 保存進程上下文 */
    __asm__ __volatile__("pushl %%ebp\n\t"
                         "movl %%esp,%[prev_sp]\n\t"
                         "movl %[next_sp],%%esp\n\t"
                         "cmpl $0,%[prev_pid]\n\t"
                         "jne 1f\n\t" /* 第一次進入，跳轉至label 1*/
                         "movl %[next_entry],%%eax\n\t"
                         "jmp *%%eax\n\t" /* 跳轉至下一個進程的代碼段 */
                         "1:\tmovl %[prev_pid],%%eax\n\t"
                         "movl $(prev_task_exit),%%ebx\n\t"
                         "movl %%ebx,%%eax\n\t"
                         "call *%%eax\n\t" /* 執行上一個進程的退出處理函數 */
                         "movl %[next_entry],%%eax\n\t"
                         "jmp *%%eax\n\t" /* 跳轉至下一個進程的代碼段 */
                         : [prev_sp] "=m"(prev->cpu_context.sp),
                           [prev_pid] "=m"(prev->pid),
                           [next_sp] "=m"(next->cpu_context.sp),
                           [next_entry] "=m"(next->cpu_context.pc)
                         :
                         : "%eax", "%ebx", "memory");
}

五、contextswitch的優化

contextswitch操作是系統開銷較大的操作，部分操作系統在此方面進行了優化，例如：

1、採用多級反饋隊列調度算法，調整優先級，使高優先級進程儘早執行，以減小contextswitch的開銷。

2、在系統內核中使用協程（coroutine），協程之間的切換比進程、線程之間的切換更為輕量，從而減小了contextswitch的開銷。

3、使用Fiber，Fiber是用戶模式下的線程，一般不需要進行內核態與用戶態的切換，因此contextswitch的開銷可以顯著降低。