操作系统：上下文切换（Context Switch）

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什么是 Context Switch（上下文切换）？

🚨 中断（Interrupt）触发上下文切换

这时候就需要“保存上下文”

上下文切换到底在做什么？

1. State Save（保存状态）

2. State Restore（恢复状态）

完整的上下文切换过程

上下文切换的时间与开销

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什么是 Context Switch（上下文切换）？

在前面我们讲了：

• 同一时刻，CPU 只能执行一个进程；

• 操作系统通过进程调度来决定哪个进程来使用 CPU；

• 那么从一个进程切换到另一个进程时，原来那个进程怎么办？总不能把它的状态丢了吧？

答案就是：操作系统要把当前进程的运行状态完整地保存起来，以便之后它还能接着运行。这就是“上下文切换”。

更正式的说，上下文切换是指操作系统在进程切换时，保存当前进程的上下文（运行状态），并加载新进程的上下文，让 CPU 从上一个任务“暂停”，切换去执行另一个任务的过程。

这个过程是在“中断”发生时被触发的，我们接下来具体解释这个过程发生的场景和细节。

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🚨 中断（Interrupt）触发上下文切换

什么是中断？

在操作系统中，中断是一种机制，用于让系统暂停当前正在执行的任务，去处理某个“更重要”的事件。（详细内容请参考：操作系统：操作系统基础（Basics of OS）-CSDN博客）

常见中断的来源包括：

• 时间片用完（系统定时器中断）；

• I/O完成通知；

• 更高优先级进程到达；

• 外设输入（比如键盘、鼠标）；

• 系统调用等。

一旦中断发生，操作系统会立刻中断当前的执行流程，转去执行一个称为 内核例程（kernel routine） 的系统处理程序。

但是这时候，当前正在执行的进程还没运行完，它的状态不能丢。

这时候就需要“保存上下文”

“上下文（Context）”指的是进程运行时的所有状态信息，包括：

• CPU 中的各个寄存器的值（例如程序计数器 PC、通用寄存器）；

• 内存页信息；

• 栈指针（SP）；

• 调度相关数据（如优先级、状态等）。

这些信息被保存到该进程的控制块（PCB, Process Control Block）中。PCB 是操作系统用来跟踪和管理进程的重要数据结构，借助PCB，我们可以知道当前的上下文是什么。

这样，当它保存在CPU中时，当我们执行另一个进程并返回，我们就知道从哪里恢复。

具体介绍可以参考：操作系统：进程控制块（Process Control Block，PCB）-CSDN博客

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上下文切换到底在做什么？

当一个进程正在运行时，它占据着 CPU，并拥有自己的执行状态。这个“状态”是由一组与当前执行相关的数据组成的，比如：

• 程序计数器（Program Counter, PC）：记录下一条要执行的指令地址；

• 各种通用寄存器的值；

• 栈指针（Stack Pointer）；

• 程序状态字（flags，条件码）；

• 内存管理信息（页表指针、段寄存器等）；

• 其他调度信息：进程状态、优先级等。

这些信息构成了进程的“上下文（context）”。如果我们想暂停这个进程，让另一个进程运行，就必须保存这些状态信息，以便下次它还能接着运行。

上下文切换的核心动作：状态保存 + 状态恢复

Context Switch = 状态保存（State Save） + 状态恢复（State Restore）

这是操作系统在进程切换过程中执行的两个关键操作：

1. State Save（保存状态）

当一个进程被中断、抢占或主动让出 CPU 时，操作系统会做：

• 把进程当前使用的所有寄存器的值保存到它的 PCB（Process Control Block）中；

• 这包括程序计数器、通用寄存器、堆栈指针、程序状态字等等；

• 有时候还包括内存映射信息（页表指针）等；

• 保存完后，该进程变为“就绪”或“等待”状态，挂起。

 State Save 是把进程的“运行现场”打包存储起来，以备将来恢复。

2. State Restore（恢复状态）

随后，调度器从 Ready Queue 中选择了另一个进程 P2 来运行：

• 操作系统从进程 P2 的 PCB 中恢复它上次运行时保存的状态；

• 把这些寄存器值、栈指针、程序计数器等重新加载进 CPU；

• 让 CPU 从进程 P2 上次暂停的地方继续执行。

State Restore 就是把另一个进程的“运行现场”重新装回 CPU。

完整的上下文切换过程

1. 保存当前进程（P1）的上下文到其 PCB；

2. 调度器选择另一个进程（P2）；

3. 从 P2 的 PCB 中恢复它的上下文；

4. CPU 继续执行 P2，从上次暂停的地方继续。

这个过程看起来简单，但系统实际上要做很多细致的底层操作。

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上下文切换的时间与开销

你可能会想：“切换一下而已，有什么大不了的？”——实际上，上下文切换是一种“纯开销”（pure overhead）。

为什么说它是开销？

因为在上下文切换过程中，CPU 不在为用户进程执行任何实际的“有用任务”，只是做了一堆系统内部的准备和转移工作。

• 没有程序逻辑在执行；

• 没有数据被处理；

• 只是把寄存器、内存映射等搬来搬去。

上下文切换的耗时取决于：

• 需要保存/恢复的寄存器数量：有的CPU架构寄存器更多，切换开销更大；

• 内存速度：PCB通常保存在主存中，访问速度影响切换效率；

• 是否有特殊硬件指令支持：有些CPU架构提供“一条指令加载/存储所有寄存器”，可以显著加快；

• 内核实现优化程度：某些系统对上下文切换路径进行了精简和缓存优化。

⏱️ 典型的上下文切换时间：

• 在大多数通用系统中，上下文切换时间是 几微秒到几毫秒不等；

• 越是实时性要求高的系统（比如嵌入式、航空控制），越追求上下文切换的极限最小化。

项目	内容
上下文切换	CPU 从一个进程切换到另一个进程的过程
发生时机	中断、抢占、等待资源、时间片到期等
操作内容	保存当前进程状态（State Save），恢复新进程状态（State Restore）
保存位置	PCB（Process Control Block）
是否有开销	是的，且是纯粹的 CPU 消耗，没有直接为用户程序做事情
时间消耗	几微秒到几毫秒，视系统结构和硬件支持而定