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linux中的上下文是什么

时间:2022-11-10 帮助过:1人阅读 来源: 互联网

在linux中,上下文又叫CPU上下文,是CPU运行任何任务前,必须依赖的环境,包括CPU寄存器和程序计数器;而上下文切换就是先把前一个任务的CPU上下文(也就是CPU寄存器和程序计数器)保存起来,然后加载新任务的上下文到这些寄存器和程序计数器,最后再跳转到程序计数器所指的新位置,运行新任务。

本教程操作环境:linux7.3系统、Dell G3电脑。

1.什么是上下文?

Linux是一个多任务的操作系统,它支持远大于CPU数量的任务同时运行,当然,这些任务实际上并不是真正的在同时运行,而是系统在很短的时间内,将CPU轮流分配给他们,给用户造成很多任务同时运行的错觉。

在每个任务运行前, CPU 都需要知道任务从哪里加载,又从哪里开始运行。也就是说,需要系统事先给他设置好 CPU 寄存器和程序计数器(Program Counter,PC)

  • CPU 寄存器:是 CPU 内置的容量小、但速度极快的内存

  • 程序计数器:是用来存储 CPU 正在执行的指令位置、或者即将执行的下一条指令位置

综上所述,我们就有答案了

什么是上下文:

我们通常说的上下文又叫CPU上下文,是CPU运行任何任务前,必须依赖的环境,包括CPU 寄存器和程序计数器

上下文切换:就是先把前一个任务的 CPU 上下文(也就是 CPU 寄存器和程序计数器)保存起来,然后加载新任务的上下文到这些寄存器和程序计数器,最后再跳转到程序计数器所指的新位置,运行新任务。

2.上下文切换详细介绍

根据CPU切换运行任务的不同,又可以分为进程上下文切换线程上下文切换中断上下文切换

我们先了解下面2个上下文切换涉及的知识点系统调用、进程运行态

进程的运行态:

Linux 按照特权等级,把进程的运行空间分为内核空间用户空间 。在这两种空间中运行的进程状态分别称为内核态用户态

  • 内核空间(Ring 0):具有最高权限,可以直接访问所有资源(读取文件,)

    • 分配内存、IO操作、创建子进程……都是内核操作。这也表明,当IO操作频繁时,System参数会很高。

  • 用户空间(Ring 3):只能访问受限资源,不能直接访问内存等硬件设备,必须通过系统调用进入到内核中,才能访问这些特权资源

    • 典型的用户态空间程序有:Shells、数据库、web服务器、PHP程序、Java程序……

在linux系统使用top命令查看cpu时,能看到user和system两项,对应的就是用户态和内核态占用的cpu资源

如上,我们的web服务是运行在用户态下的,对文件的io没有权限,当需要读取文件时,就涉及到系统调用

系统调用:

从用户态到内核态的转变,需要通过系统调用来完成。比如查看文件时,需要执行多次系统调用:open、read、write、close等。系统调用的过程如下:

  • 把 CPU 寄存器里原来用户态的指令位置保存起来;

  • 为了执行内核代码,CPU 寄存器需要更新为内核态指令的新位置,最后跳转到内核态运行内核任务;

  • 系统调用结束后,CPU 寄存器需要恢复原来保存的用户态,然后再切换到用户空间,继续运行进程;

所以,一次系统调用的过程,其实是发生了两次 CPU 上下文切换。

进程上下文切换?

  • 进程执行终止,它之前顺颂的CPU就会被释放出来,这时就从就绪队列中取出下一个等待时间片的进程;

  • 当某个进程的时间片耗尽,它就会被系统挂起,切换到其他等待CPU的进程运行;

  • 某个进程因为需要的系统资源比较大(比如内存不足),这时候该进程会被挂起,系统会调度其他进程执行;

  • 当有优先级更高的进程(系统操作进程)需要时间片,为了保证优先级更高的进程能够执行,当前进程会被挂起;

  • 如果当前进程中有sleep函数,他也会被挂起;

线程的上下文切换?

对操作系统来说,线程是最小的执行单元,进程是最小的资源管理单元。说白了,所谓内核中的任务调用,实际上的调度对象是线程;而进程只是给线程提供了虚拟内存、全局变量等资源。所以,对于现场和进程,我们可以这么理解:

  • 当进程只有一个线程时,可以认为进程就等于线程。

  • 当进程拥有多个线程时,这些线程会共享父进程的资源(即共享相同的虚拟内存和全局变量等资源)。这些资源在上下文切换时是不需要修改的。

  • 另外,线程也有自己的私有数据,比如栈和寄存器等,这些在上下文切换时也是需要保存的。

综上,线程上下文切换有两种情况:

  • 前后两个线程属于不同进程,因为资源不共享,所以切换过程就跟进程上下文切换是一样的;

  • 前后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。

中断上下文切换?

中断处理会打断进程的正常调度和执行。在打断其他进程时,需要将进程当前的状态保存下来,中断结束后,进程仍然可以从原来的状态恢复运行。

中断上下文切换并不涉及到进程的用户态。所以,即便中断过程打断了一个正处在用户态的进程,也不需要保存和恢复这个进程的虚拟内存、全局变量等用户态资源。中断上下文,其实只包括内核态中断服务程序执行所必须的状态,包括 CPU 寄存器、内核堆栈、硬件中断参数等。

小结

根据Tsuna的测试报告,每次上下文切换都需要几十纳秒到数微妙的CPU时间,这个时间还是相当可观的。

不管是哪种场景导致的上下文切换,你都应该知道:

  • CPU上下文切换,是保证Linux系统正常工作的核心功能之一,一般情况下不需要我们特别关注。

  • 但过多的上下文切换,会把CPU时间消耗在寄存器、内核栈以及虚拟内存等数据的保存和恢复上,从而缩短进程真正运行的时间,导致系统的整体性能大幅下降。

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