进程切换原理

什么是CPU上下文

  Linux是一个多任务操作系统,它支持远大于CPU核心数的任务同时进行。当然,这些任务并不是真的同时在运行,而是因为系统在很短的时间内,将CPU轮流分配给它们,造成多任务同时运行的错觉。每个任务在运行前,CPU都需要知道任务从哪来加载,又从哪里开始运行,也就是说,需要事先帮它们设置好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、但速度快的内存,用来临时存放指令执行运行过程中的操作数和中间(最终)的操作结果。

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

  CPU寄存器和程序计数器是CPU运行任何任务前,必须依赖的环境,也被称作CPU上下文

什么是CPU上下文切换

  把前一个任务的CPU上下文(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,运行新的任务。而这些保存下来的上下文,会存储在系统内核中,并在任务重新调度执行时再次加载进来。这样就能保证任务原来的状态不受影响,让任务看起来还是连续运行。

  CPU的上下文切换可以分为几个不同的场景:进程上下文切换、线程上线文切换、中断上下文切换;

进程上下文切换

系统调用时的切换

  Linux按照特权等级,把进程的运行空间分为内核空间和用户空间。一些特殊的操作如调用open()打开文件等 都需要切换到内核空间运行,用户空间是没有权限调用这些的。也就是说,进程既可以在用户空间运行,又可以在内核空间运行。在用户空间运行即为用户态,而陷入内核空间的时候,即为内核态。这种从用户态切换到内核态时,必须经过系统调用来完成。

  系统调用需要上下文切换。切换时,先保存CPU寄存器里原来用户态的指令位置。接着,为了执行内核态代码,CPU寄存器需要更新为内核态执行的新位置。最后才是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。

  需要注意的是,系统调用过程中,并不会涉及到虚拟内存等进程用户态的资源,也不会进行切换进程。这跟我们通常说的进程上下文切换是不一样的。

  所以,系统调用过程通常称为特权模式切换,而不是上下文切换。但实际上,系统调用过程中,CPU的上下文切换还是无法避免的。

进程的切换

  进程是由内核来管理和调度的,进程的切换只能发生在内核态。所以,进程的上下文不仅包括虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源,还包括内核堆栈、寄存器等内核空间的状态。因此,进程的上下文切换就比系统调用时多了一步:在保存当前进程的内核状态和CPU寄存器之前,需要先把该进程的虚拟内存、栈等保存下来;而加载了下一进程的内核态后,还需要刷新进程的虚拟内存和用户栈。

  发生进程上下文切换的场景:

  • 为了保证所有进程可以得到公平调度,CPU 时间被划分为一段段的时间片,这些时间片再被轮流分配给各个进程。这样,当某个进程的时间片耗尽了,就会被系统挂起,切换到其它正在等待 CPU 的进程运行。
  • 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,这个时候进程也会被挂起,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。

  进程切换的视图:

 

 

  关键点:

  1. 发生中断时的保存现场,将发生中断时的所有通用寄存器保存到进程的内核栈,使用struct pt_regs结构。
  2. 地址空间切换将进程自己的页全局目录的基地址pgd保存在ttbr0_le1中,用于mmu的页表遍历的起始点。
  3. 硬件上下文切换的时候,将此时的调用保存寄存器和pc, sp保存到struct cpu_context结构中。做好了这几个保存工作,当进程再次被调度回来的时候,通过cpu_context中保存的pc回到了cpu_switch_to的下一条指令继续执行,而由于cpu_context中保存的sp导致当前进程回到自己的内核栈,经过一系列的内核栈的出栈处理,最后将原来保存在pt_regs中的通用寄存器的值恢复到了通用寄存器,这样进程回到用户空间就可以继续沿着被中断打断的下一条指令开始执行,用户栈也回到了被打断之前的位置,而进程访问的指令数据做地址转化(VA到PA)也都是从自己的pgd开始进行,一切对用户来说就好像没有发生一样。

  总结;

  进程切换有两大步骤:地址空间切换和处理器状态切换(硬件上下文切换)。前者保证了进程回到用户空间之后能够访问到自己的指令和数据(其中包括减小tlb清空的ASID机制),后者保证了进程内核栈和执行流的切换,会将当前进程的硬件上下文保存在进程所管理的一块内存,然后将即将执行的进程的硬件上下文从内存中恢复到寄存器,有了这两步的切换过程保证了进程运行的有条不紊,当然切换的过程是在内核空间完成,这对于进程来说是透明的。

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存储器:
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寄存器:
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1. 取指令——把程序计数器(PC)所存的指令地址装入地址寄存器(AR),地址寄存器通过地址总线找到指令地址对应的主存单元,取出指令;然后通过数据总线将指令传给CPU的指令寄存器(IR);当一条指令被取出后,PC中的数值将根据指令字长度而自动递增;
2. 指令译码——指令寄存器(IR)将指令发送给指令译码器,进行译码;指令译码器首先分析这条指令的操作码是什么,以决定操作的性质和方法(算术操作、逻辑操作、数据传输、条件分支操作),然后才能控制计算机其他各部件协同完成指令表达的功能;
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第五部分:中央处理器CPU
1,CPU的功能与结构?
(1)CPU的结构?
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控制器:协调并控制计算机各个部件运行。具体包括:程序计数器PC,指令寄存器IR,地址寄存器MAR,数据寄存器MDR,时序系统,微程序控制器,控制器的核心是控制单元CU
运算器:执行各种运算,并将结果输出。具体包括:ACC累加寄存器,ALU算数逻辑单元,暂存寄存器,通用寄存器组,PWS程序状态字寄存器、移位寄存器、计数器
 
各种寄存器中对用户不可见的有:暂存寄存器、移位寄存器、MAR、MDR、IR
 
(2)CPU的功能:指令控制、时间控制、操作控制、中断处理...

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1、概述JDK源码中很多Native方法,特别是多线程、NIO部分,很多功能需要操作系统功能支持,作为Java程序员,如果要理解和掌握多线程和NIO等原理,就需要对操作系统的原理有所了解。
2、CPU 上下文切换多任务操作系统中,多于CPU个数的任务同时运行就需要进行任务调度,从而多个任务轮流使用CPU。
从用户角度看好像所有的任务同时在运行,实际上是多个任务你运行一会,我运行一会,任务切换的速度很快,我们感觉不到而已。
而每个任务运行前,CPU需要知道从哪里加载这个任务的程序,还需要知道从程序哪行开始执行,这就要求OS事先帮任务设置好CPU的 寄存器 和程序计数器 。
CPU执行任务必须依...

【操作系统】 进程切换(上下文切换)

进程切换(上下文切换)1、暂停当前运行进程,从运行状态变成其他状态。 2、调度另一个进程从就绪状态变成运行状态。  进程切换的要求切换前,保存进程上下文 切换后,恢复进程上下文快速切换快速切换 进程生命周期的信息 寄存器(PC,SP,.….)CPU状态内存地址空间 上下文切换的图示   进程控制块PCB:内核的进程状态记录 1、内核为每个进程维护了对应的进程控制块( PCB) 2、内核将相同状态的进程的PCB放置在同一队列   ...

一文让你明白CPU上下文切换

我们都知道,Linux 是一个多任务操作系统,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的在同时运行,而是因为系统在很短的时间内,将 CPU 轮流分配给它们,造成多任务同时运行的错觉。
而在每个任务运行前,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,需要系统事先帮它设置好CPU 寄存器和程序计数器
什么是 CPU 上下文
CPU 寄存器和程序计数器就是 CPU 上下文,因为它们都是 CPU 在运行任何任务前,必须的依赖环境。

CPU 寄存器是 CPU 内置的容量小、但速度极快的内存。
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Linux性能优化实战:上下文切换

摘 学习笔记
1、多任务竞争CPU,cpu变换任务的时候进行CPU上下文切换(context switch)。
CPU执行任务有4种方式:进程、线程、或者硬件通过触发信号导致中断的调用。
 
 
2、当切换任务的时候,需要记录任务当前的状态和获取下一任务的信息和地址(指针),这就是上下文的内容。
因此,上下文是指某一时间点CPU寄存器(CPU register)和程序计数器(PC)的内容, 广义上还包括内存中进程的虚拟地址映射信息。
CPU寄存器:CPU用来存储指令
程序计数器:CPU用来存储下一条要执行的指令
 
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对于CPU和寄存器的浅识

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通用寄存器可以分为两个独立的高位寄存器和低位寄存器使用&nbs...

终于理解了进程切换慢的真正原因。

上下文:运行的状态、环境
进程
操作系统对运行的应用程序的抽象,进程的运行空间分为用户态和内核态,执行内核相关操作时,要进入内核态。
程序是被动实体,而进程是主动实体。一次只有一个进程可以在一个处理器上运行。
进程内存空间的组成包括:

用户栈:保存进程需要使用的各种临时数据,自顶向下扩展
代码库:进程执行有时需要依赖共享的代码库,这些代码库被映射到用户栈下方的虚地址处,标记为只读。
用户堆:堆管理的是进程动态分配的内存。字下向上扩展。
数据与代码段:他们原本保存在进程需要执行的 二进制文件中,进程执行前,操作系统将他们载入虚拟地址中。数据段都是全局变量
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