CPU、进程、线程上下文切换

参考：5.1 进程、线程基础知识 | 小林coding | Java面试学习

程序计数器

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寄存器

位于CPU核心内部存储单元，用于暂存指令、数据、地址等信息。

CPU缓存

位于CPU和和主内存之间的存储单元，在CPU内部，有L1、L2、L3三级缓存，L1容量最小，速度最快，通常集成在 CPU 核心内部，L2、L3次之。

CPU上下文切换

任务交给CPU运行，那么CPU需要知道任务从哪里加载、从哪里开始运行，所以操作系统需要事先帮CPU设置好CPU寄存器、程序计数器。

CPU上下文切换就是把前一个任务的上下文保存到寄存器和计数器，然后加载新的任务。这就包含了进程、线程、中断。

进程上下文切换

进程是由内核管理和调度的，所以进程的切换只能发生在内核态。

进程上下文切换场景

• 当某个进程的时间片耗尽，进程就从运行状态变为就绪状态，系统从就绪队列选择另外一个进程运行；
• 进程在系统资源不足（比如内存不足）时，要等到资源满足后才可以运行，这个时候当前进程会被挂起，并由系统调度其他进程运行;
• 当进程通过睡眠函数sleep这样的方法将自己主动挂起时，自然也会重新调度；
• 当有优先级更高的进程运行时，为了保证高优先级进程的运行，当前进程会被挂起，由高优先级进程来运行;
• 发生硬件中断时，CPU上的进程会被中断挂起，转而执行内核中的中断服务程序；

线程上下文切换

同一个进程内有多个线程，有共享内存和全局变量等资源，每个线程也有自己的寄存器和栈存放私有数据，各个线程可以并发执行。线程是CPU调度的基本单位，进程是资源分配的基本单位。

• 当两个线程不属于同一个进程，则切换的过程就跟进程上下文切换一样；
• 当两个线程属于同一个进程，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；