CPU上下文

上下文是CPU在运行任务前的依赖环境，包括：

  • CPU寄存器：CPU内置容量小、速度快的内存；
  • 程序计数器：是用来存储 CPU 正在执行的指令位置、或者即将执行的下一条指令位置。

    CPU 上下文切换

    就是先把前一个任务的 CPU 上下文保存起来，然后加载新任务的上下文到这些寄存器和程序计数器，最后再跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务。
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    场景

    进程上下文切换、线程上下文切换以及中断上下文切换。

    线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位；进程与线程关系类似于pod与容器。

进程上下文切换

只有在进程调度的时候，才需要切换上下文。Linux 为每个 CPU 都维护了一个就绪队列，将活跃进程按照优先级和等待 CPU 的时间排序，然后选择最需要 CPU 的进程，也就是优先级最高和等待 CPU 时间最长的进程来运行。

什么时候切换

  1. 进程执行完终止；
  2. 进程的时间片耗尽；
  3. 进程在系统资源不足时需要等到满足后才能运行，此时会被挂起；
  4. 进程使用睡眠函数sleep时会主动挂起；
  5. 当有优先级更高的进程运行时，当前进程会被挂起。

    线程上下文切换

    线程的上下文切换其实就可以分为两种情况：
  • 第一种， 前后两个线程属于不同进程。此时，因为资源不共享，所以切换过程就跟进程上下文切换是一样。
  • 第二种，前后两个线程属于同一个进程。此时，因为虚拟内存是共享的，所以在切换时，虚拟内存这些资源就保持不动，只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据。

    中断上下文切换

    为了快速响应硬件的事件，中断处理会打断进程的正常调度和执行，转而调用中断处理程序，响应设备事件。

    消耗

    根据 Tsuna 的测试报告，每次上下文切换都需要几十纳秒到数微秒的 CPU 时间。在进程上下文切换次数较多的情况下，很容易导致 CPU 将大量时间耗费在寄存器、内核栈以及虚拟内存等资源的保存和恢复上，进而大大缩短了真正运行进程的时间。

问题

  1. CPU在分配时间时，单线程的进程和双线程的进程使用CPU的时间一样吗？
  2. 进程与线程的上下文切换有什么不同？

    进程包含线程，进程切换的同时也发生了线程切换，线程切换不一定发生进程切换。