操作系统 进程（4）上下文切换与系统调用
目标问题：
“当系统切换进程时，CPU里到底发生了什么？”
学习重点：
- 上下文切换的过程（保存/恢复寄存器、堆栈指针）
- 系统调用与用户态、内核态的切换机制
- 调度器（Scheduler）在操作系统中的位置与职责
📘 建议思考：
为什么上下文切换太频繁会导致性能下降？（提示：CPU cache 失效、保存/恢复寄存器代价）
🧩 一、什么是上下文（Context）
“上下文”可以理解为：
👉 CPU 执行某个进程时所需的全部状态信息。
包括：
| 类型 | 内容 | 示例 |
|---|---|---|
| CPU寄存器 | 程序计数器（PC）、通用寄存器、标志位等 | eax, ebx, eip… |
| 内存信息 | 栈指针（SP）、页表、段寄存器 | esp, ebp… |
| 程序状态 | 用户态 / 内核态、调度优先级等 | current_mode |
⚙️ 就像游戏存档：
你退出游戏前要保存主角位置、血量、装备……
CPU 也是在切换前保存“进程的执行现场”。
🔄 二、上下文切换（Context Switch）
定义：
操作系统从一个进程切换到另一个进程的过程。
🧠 举个例子：
假设有两个进程 P1、P2。
P1 正在执行计算任务，此时：
- P1 时间片用完（或触发中断）
- 操作系统暂停 P1
- 把 P1 的寄存器、程序计数器、栈指针等信息保存到 P1 的PCB（进程控制块）
- 从就绪队列中选中 P2
- 把 P2 之前保存的寄存器状态、计数器等信息恢复到 CPU 寄存器
- CPU 从 P2 停下的那一条指令继续执行
📍这个“保存 + 恢复”的动作，就是 上下文切换。
📦 三、上下文切换的开销
切换并不是“免费”的！
代价主要来自：
- 寄存器保存与恢复
保存几十个寄存器状态，恢复另一个进程的状态； - 内核态切换
切换需要进入内核态执行； - 缓存失效（Cache Miss）
CPU Cache 里是上一个进程的数据，新进程要重新加载； - TLB（页表缓存）失效
虚拟内存页表切换后，也要刷新。
💡 所以：
“过于频繁的上下文切换 = 时间浪费在切人上，不在干活上。”
举个形象比喻：
- 每个人都只说一句话就换人，会议效率极低；
- 给每人多点时间说完一句完整的话，再换人，效率更高。
（这就是时间片设计的平衡思想）
🧱 四、系统调用（System Call）
操作系统是内核（Kernel），而普通程序在用户态（User Mode）。
用户态程序不能直接操作硬件，比如访问磁盘、网络、I/O 设备。
于是它必须请求内核代为执行 —— 这就叫系统调用。
🔒 用户态与内核态的区别
| 项目 | 用户态 | 内核态 |
|---|---|---|
| 权限 | 低，只能执行普通指令 | 高，可执行特权指令 |
| 可访问内存 | 自己的虚拟内存 | 全系统内存 |
| 举例 | 应用程序（浏览器、QQ） | 操作系统内核、驱动程序 |
🧩 系统调用过程（比如 read 文件）
- 程序调用
read() - 通过**软中断（trap）**进入内核态
- 内核检查权限 → 执行文件系统操作
- 把结果（或错误码）返回给用户程序
- CPU 切回用户态，程序继续执行
📍 核心区别在于：
从用户态到内核态，是一次“受控的特权切换”。
🔄 用户态 vs. 上下文切换
| 操作类型 | 是否切换进程 | 是否切换态 |
|---|---|---|
| 系统调用（read/write） | ❌ 否 | ✅ 用户态 → 内核态（同进程） |
| 上下文切换 | ✅ 是（换进程） | ✅ 通常也会切换内核态 |
换句话说：
- 系统调用：同一个人，换个身份（普通人→管理员）；
- 上下文切换：换了一个人（P1→P2）。
🧭 五、调度器的角色
调度器（Scheduler）是操作系统内核中管理 CPU 分配的核心组件，它负责：
- 挑选哪个进程获得 CPU；
- 控制上下文保存 / 恢复；
- 根据调度策略（FCFS, RR, MLFQ等）决策切换顺序。
💡 调度器 + 上下文切换 = CPU多任务的本质机制。