我们都知道 Linux 是一个多任务操作系统,它支持的任务同时运行的数量远远大于 CPU 的数量。当然,这些任务实际上并不是同时运行的(Single CPU),而是因为系统在短时间内将 CPU 轮流分配给任务,造成了多个任务同时运行的假象。
CPU 上下文(CPU Context)
在每个任务运行之前,CPU 需要知道在哪里加载和启动任务。这意味着系统需要提前帮助设置 CPU 寄存器和程序计数器。
CPU 寄存器是内置于 CPU 中的小型但速度极快的内存。程序计数器用于存储 CPU 正在执行的或下一条要执行指令的位置。
它们都是 CPU 在运行任何任务之前必须依赖的依赖环境,因此也被称为 “CPU 上下文”。如下图所示:
知道了 CPU 上下文是什么,我想你理解 CPU 上下文切换就很容易了。“CPU上下文切换”指的是先保存上一个任务的 CPU 上下文(CPU寄存器和程序计数器),然后将新任务的上下文加载到这些寄存器和程序计数器中,最后跳转到程序计数器。
这些保存的上下文存储在系统内核中,并在重新安排任务执行时再次加载。这确保了任务的原始状态不受影响,并且任务似乎在持续运行。
CPU 上下文切换的类型
你可能会说 CPU 上下文切换无非就是更新 CPU 寄存器和程序计数器值,而这些寄存器是为了快速运行任务而设计的,那为什么会影响 CPU 性能呢?
在回答这个问题之前,请问,你有没有想过这些“任务”是什么?你可能会说一个任务就是一个进程或者一个线程。是的,进程和线程正是最常见的任务,但除此之外,还有其他类型的任务。
别忘了硬件中断也是一个常见的任务,硬件触发信号,会引起中断处理程序的调用。
因此,CPU 上下文切换至少有三种不同的类型:
- 进程上下文切换
- 线程上下文切换
- 中断上下文切换
让我们一一来看看。
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