CPU性能分析--上下文切换

内容提要

• CPU上下文切换都做了哪些事？
• CPU上下文切换都有哪些场景？
• 系统调用上下文切换都做了哪些事？
• 进程上下文切换都做了哪些事？
• 线程上下文切换都做了哪些事？
• 中断上下文切换都做了哪些事？

CPU上下文切换

• 什么是CPU上下文？
  CPU的寄存器和程序计数器

• CPU上下文切换要做哪些事？

  1. 保存前一个任务的CPU上下文；
  2. 加载新任务的CPU上下文到这些寄存器和程序计数器；
  3. 跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务；
     注意：
     这里提到的任务包括哪些？
     • 进程
     • 线程
     • 中断

• 根据任务的不同，CPU切换分为哪些场景？

  1. 进程上下文切换
  2. 线程上下文切换
  3. 中断上下文切换

系统调用上下文切换

• 系统调用过程中有发生CPU上下文切换吗？
  有。

• 系统调用发生的CPU上下文切换过程是怎样的？
  第一次CPU上下文切换

  1. 保存进程用户态的指令位置；
  2. 更新CPU的寄存器为内核态指令的新位置；
  3. 跳转到内核态运行内核任务；

  第二次CPU上下文切换

  1. 恢复CPU寄存器为之前保存的进程用户态的指令位置；
  2. 跳转到之前保存的进程用户态指令位置处，继续执行；

注意：

• 1次系统调用过程中有2次CPU上线文切换；
• 系统调用过程不涉及虚拟内存等进程用户态资源的保存；
• 系统调用过程没有发生进程的切换；

进程上下文切换

进程上下文切换要做哪些事？

• 先保存前一进程的虚拟内存、栈等用户空间的资源，然后保存该进程的内核状态和寄存器；
• 加载新进程的内核态，刷新该进程的虚拟内存和栈等用户态资源；
• 跳转到程序计数器所指的新位置，开始运行新进程；

什么时候会发生进程上下文切换？

• 进程因执行完终止了，系统从就绪队列中取出一个新的进程来运行
• 进程因时间片耗尽被挂起，系统切换其他正在等待CPU的进程来运行
• 进程因系统资源不足被挂起，系统调度其他进程来运行
• 进程通过sleep等方法主动挂起，系统调度其他进程来运行
• 进程因有更高优先级的进程要执行被挂起，系统执行高优先级进程
• 进程因发生硬件中断被挂起，系统转而执行内核中的中断服务程序

线程上下文切换

线程上下文切换要做哪些事？
如果切换前后的线程属于不同的进程，则参考进程上下文切换步骤；否则，由于切换前后同属一个进程，所以不用保存虚拟内存等共享资源。

• 保存前一线程的私有数据、寄存器等不共享的数据；
• 加载新线程的上下文到寄存器和程序计数器中；
• 跳转到程序计数器所指的新位置，开始运行新线程；

中断上下文切换

中断上下文切换都需要做哪些事？

• 不涉及前一进程的用户态，不需要保存前一进程的虚拟内存、全局变量等用户态资源，仅需要保存进程的内核态；
• 加载中断服务程序的内核态上下文，包括CPU寄存器、内核堆栈、硬件中断参数；
• 跳转到程序计数器所指的内核位置处，运行中断服务器程序。