《操作系统 - 清华大学》 8 -11：进程管理：上下文切换

进程管理之上下文切换与进程控制详解

一、上下文切换的定义

在多程序运行环境下，程序以进程形式存在，且多个进程共享CPU资源。不同时刻，进程需要切换以获取CPU执行权，这个切换过程被称为进程的上下文切换。“上下文”英文为“context” ，“context switch”即上下文切换。

二、上下文切换的具体内容

传统操作系统课本指出，进程上下文切换涉及寄存器。寄存器与CPU联系紧密，若要在操作系统内实现进程切换，就必须清楚操作系统所在CPU的寄存器情况，包括寄存器的种类以及进程对它们的使用情况。
进程运行时依赖多种寄存器，例如程序计数器，它用于指示进程的执行位置；栈指针同样作为寄存器，栈能反映调用关系和局部变量的位置等。进程切换时，这些寄存器信息会被保存到进程控制块（PCB）的特定位置。当运行其他进程时，再从相应进程的PCB中取出寄存器等上下文信息，恢复到CPU中，依据PCB信息重新配置寄存器资源，确保新进程能在CPU上继续执行。

三、上下文切换的过程示例

以进程A和进程B为例，进程A执行一段时间后，操作系统会调度进程B执行。此时，进程A需将其“context”（即各类寄存器信息）保存到PCB中，随后将进程B的PCB中保存的上下文信息恢复到CPU，以此完成进程间的切换。

四、上下文切换的实现方式及开销要点

上下文切换涉及的信息与硬件关联密切，在实际操作和真实操作系统中，这部分代码大多由汇编代码编写。
上下文切换的开销十分关键，我们期望其开销越小越好，这样进程就能将更多时间用于执行自身任务，而非耗费在上下文切换上。

五、进程队列管理

能够在CPU上执行的进程被放置在一个队列中，该队列常被称为就绪队列（也叫rq或运行队列等），它以链表形式存在，便于操作系统挑选进程执行。部分进程暂时无法占用CPU，它们在等待特定事件，这类进程会被置于等待队列。此外，还有一个僵尸队列，其具体含义将在后续进程控制时深入探讨，在此先给留个思考问题：僵尸队列中存放的是什么呢？