深入分析Linux上下文与上下文切换-编程知识

Linux 进程运行空间与特权等级

在 Linux 操作系统中，进程的运行空间被划分为内核空间和用户空间，这种划分是为了保护系统的稳定性和安全性。这两个空间对应着 CPU 的特权等级，分别为：

Ring 0（内核态）
Ring 3（用户态）
本文将深入介绍这两个空间的概念、特权等级的含义以及它们之间的切换机制。

内核空间与用户空间

内核空间

内核空间是操作系统内核运行的区域，拥有最高的特权等级。在内核空间中，操作系统可以执行任意指令，访问所有硬件和内存资源。这包括对系统硬件、设备驱动程序和核心数据结构的完全访问。内核空间通常包含了操作系统的内核代码和数据结构。

用户空间

用户空间是供用户程序执行的区域，拥有较低的特权等级。在用户空间中，程序只能执行受限的指令，且对硬件资源的直接访问受到限制。用户空间包含了用户应用程序的代码和数据，以及一些共享库和用户环境的运行时信息。

CPU 特权等级

CPU 特权等级用于区分不同程序对计算机系统资源的访问权限。在 x86 架构中，特权等级被分为四个环，分别是：

Ring 0
Ring 3

Ring 0 拥有最高特权，而 Ring 3 拥有最低特权。

1. Ring 0 - 内核态

Ring 0 是最高特权等级，对应内核空间。在 Ring 0 中，操作系统内核运行，可以执行任意指令，访问系统的全部资源。内核态下运行的代码可以执行特权指令，例如修改全局描述符表（GDT）和局部描述符表（LDT），以及执行 I/O 操作。

2. Ring 3 - 用户态

Ring 3 是最低特权等级，对应用户空间。在 Ring 3 中，运行用户应用程序，程序只能执行非特权指令，访问受限资源。用户态下运行的代码无法直接执行一些特权指令，例如修改 GDT 和 LDT。必须通过系统调用陷入到内核中，才能访问这些特权资源。

上下文

Linux 是一个多任务操作系统，支持远远大于cpu数量的任务并行运行，但是从底层上看其实这些任务也不是同时运行，而是操作系统在非常短的时间内把CPU轮流分配给这些任务，这样在表象看起来像是多任务同时运行一样。

因为这些任务实际上是轮流使用cpu，所以在任务运行之前就得有地方记录这些任务的运行信息（需要加载什么信息，在哪里开始运行等）--CPU 寄存器和程序计数器。

在 Linux 操作系统中，当操作系统进行进程上下文切换时，通常会保存和恢复CPU 寄存器的状态，以及程序计数器的值。这确保了在切换回进程时，它能够继续执行先前被中断的位置。这是操作系统实现多任务和多进程并发执行的基本机制之一。

CPU 寄存器

含义： CPU 寄存器是一组用于暂时存储数据的小型存储区域，直接嵌入在 CPU 中。寄存器在计算机中起到非常关键的作用，用于存储临时数据、地址、状态等信息。
关联进程资源： 寄存器包括通用寄存器、特殊用途寄存器等。在进程上下文切换时，通用寄存器的值通常会被保存到进程的上下文中，以便在切换回该进程时能够恢复到之前的状态。

程序计数器（Program Counter，PC）

含义： 程序计数器是一种特殊的寄存器，用于存储当前正在执行的指令的地址，即程序的下一条指令的地址。
关联进程位置： 程序计数器的值指示了进程在内存中的特定位置，表示即将执行的指令的地址。在进程执行期间，计算机会不断更新程序计数器的值，使其指向下一条要执行的指令的地址。

CPU 寄存器和程序计数器。都是 CPU 在运行任何任务前，必须的依赖环境，因此也被叫做 CPU 上下文。

一句话总结上下文：

在每个任务运行前，cpu需要知道任务是从哪儿运行的，然后从哪儿开始的，也就是说，需要系统给它设置好 CPU寄存器和程序计数器， cpu的寄存器是，cpu内置的容量小，但是速度极快的内存，而程序计数器，则是用来存储正在执行的指令位置，或者即将执行的吓一跳指令位置。他们是cpu在运行任何任务前，都必须依赖的环境（包括寄存器状态、内存映射、打开的文件、进程优先级等），因此也被叫做CPU上下文。

一句话总结上下文切换：

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。

上下文切换

上下文切换是指操作系统在多任务环境下，从一个任务切换到另一个任务时保存和恢复这些上下文信息的过程。在 Linux 系统中，上下文和上下文切换是操作系统中关键的概念，对于系统性能和多任务处理有着重要的影响。

在多任务操作系统中，CPU 上下文切换是实现并发执行的关键机制。根据任务的不同，可以把上下文切换可以分成三种不同的上下文切换场景：进程上下文切换、线程上下文切换以及中断上下文切换。我们将从底层原理出发，详细介绍每种场景的具体实现和影响因素。

进程上下文切换

进程的上下文切换

进程上下文切换是指从一个进程切换到另一个进程。它发生在多任务系统中，由调度器负责决定哪个进程获得 CPU 时间。上下文切换的开销包括保存当前进程的上下文、加载新进程的上下文以及刷新内存映射等。

系统调用的上下文切换

在一开始介绍进程的运行空间与系统等级的时候，进程在从用户态到内核态的转变涉及系统调用，这里的系统调用也涉及上下文切换。系统调用是用户程序请求内核执行特权操作的方式，例如打开、读取或关闭文件。当进行文件内容查看等操作时，需要多次系统调用完成。每次系统调用都引发了 CPU 上下文的切换。

具体过程如下：

保存用户态： 在系统调用开始时，CPU 寄存器里保存着用户态的指令位置，需要先保存这些信息以便后续恢复。
进入内核态： 为了执行内核态代码，CPU 寄存器需要更新为内核态指令的新位置。
执行内核任务： 此时，CPU 进入内核态并执行相应的内核任务，完成系统调用的操作。
恢复用户态： 系统调用结束后，CPU 寄存器需要恢复原来保存的用户态，然后切换回用户空间，继续运行进程。

一次系统调用的过程实际上发生了两次 CPU 上下文切换。

虽然系统调用过程中不涉及虚拟内存等用户态资源的切换，也不会切换进程，但实际上，CPU 的上下文切换是无法避免的。因此，系统调用过程中的上下文切换通常被称为特权模式切换，而非上下文切换。

进程上下文切换与系统调用的区别

进程上下文切换与系统调用有明显区别：

上下文内容：

进程上下文切换包括了虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源，还包括了内核堆栈、寄存器等内核空间的状态。

系统调用时，只保存和恢复了 CPU 寄存器和用户态的状态。
切换对象：

进程上下文切换是在不同进程之间进行的

系统调用过程中一直是同一个进程在运行
过程复杂度：

进程上下文切换相对于系统调用更为复杂。它需要保存当前进程的内核状态和 CPU 寄存器之前，还需要保存该进程的虚拟内存、栈等；加载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。

进程上下文切换的开销

上下文切换的过程并非“免费”，它需要内核在 CPU 上运行来完成。根据Tsuna的实验数据，每次上下文切换都需要几十纳秒到数微秒的 CPU 时间。在进程上下文切换次数较多的情况下，容易导致 CPU 时间主要花费在资源的保存和恢复上，而非真正的进程执行。

进程调度与上下文切换的时机

在 Linux 系统中，进程的调度并不仅仅发生在进程执行完终止的时候。我们来逐一梳理几个触发进程调度的场景，以加深对进程调度机制的理解。

1. 时间片耗尽

时机：

当前运行进程的时间片耗尽。

为了保证所有进程能够得到公平调度，CPU 时间被划分为一段段的时间片，这些时间片轮流分配给各个进程。当某个进程的时间片耗尽时，系统会挂起该进程，并切换到等待 CPU 的其他进程运行。

2. 系统资源不足

时机：

进程等待某些系统资源（如内存）。

在系统资源不足的情况下（例如内存不足），进程需要等待资源满足才能继续运行。此时，该进程会被挂起，并由系统调度其他等待 CPU 的进程运行。

3. 睡眠函数

时机：

进程主动调用睡眠函数（如 sleep）。

通过睡眠函数（如 sleep）等方式，进程可以主动挂起自己，等待一定的时间后再次被调度运行。

进程进入睡眠状态，不再占用 CPU 资源。
睡眠时间结束或被唤醒后，进程重新被调度运行。

4. 优先级更高的进程

时机：

高优先级进程就绪并准备运行。

当有优先级更高的进程就绪时，为了确保高优先级进程能够及时运行，当前进程会被挂起，系统调度高优先级进程运行。

低优先级进程被挂起。
高优先级进程获得 CPU 控制权，运行相应任务。
执行完任务后，系统可能重新调度低优先级进程。

5. 硬件中断

时机：

硬件设备产生中断。

发生硬件中断时，CPU 上正在执行的进程会被中断挂起，转而执行内核中的中断服务程序。一旦中断处理完毕，原先的进程可能会被重新调度运行。

当前进程被中断挂起。
中断服务程序执行。
中断处理完成后，可能重新调度原先的进程继续执行。

线程上下文切换

线程上下文切换与进程上下文切换类似，但开销更小。因为线程共享相同的地址空间，切换时无需刷新内存映射。线程上下文切换通常发生在同一进程内的不同线程之间。

线程（Thread）和进程（Process）是操作系统中用于执行程序的两个基本概念，在开始分析之前，我们先了解下线程与进程：线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位

任务调度：
- 线程是操作系统进行任务调度的基本单位。内核可以调度多个线程在同一进程中并发执行，充分利用多核处理器的性能。
- 进程是一个独立的执行环境，它包含至少一个线程。但在内核的任务调度中，调度的对象是线程，而非整个进程。
资源拥有：
- 进程是独立的资源拥有者，拥有独立的地址空间、文件描述符等。不同进程之间的资源是相互独立的。
- 线程共享相同进程的资源，包括虚拟内存、文件描述符等。线程间的通信相对简单，因为它们共享相同的地址空间。
- 线程也有自己的私有数据，比如栈和寄存器等。
调度效率：
- 由于线程共享相同的资源，线程的创建、销毁和切换开销相对较小，调度效率较高。
- 进程的独立性导致了较大的创建、销毁和切换开销，因为这涉及到整个地址空间的切换。
错误影响范围：
- 一个线程的错误可能影响整个进程，因为它们共享相同的资源。这需要更加谨慎的编程和调试。
- 进程的独立性使得一个进程的错误不太可能直接影响其他进程，提高了系统的稳定性。

线程上下文切换可以分为两种情况

前后线程属于不同的进程。因为资源不共享，所以上下文切换的过程与进程上下文切换时一样的。
如果前后两个线程属于一个进程。因为虚拟内存是共享的，所以切换的时候虚拟内存等资源是不用动的，只需要切换不同线程自己拥有的私有数据，寄存器等不共享的数据。

中断上下文切换

中断上下文切换是由硬件中断或软件中断触发的。当中断发生时，操作系统会保存当前进程或线程的上下文，然后转入中断服务例程执行。执行完中断服务例程后，操作系统会恢复之前保存的上下文，继续执行被中断的进程或线程。

中断上下文切换与进程上下文切换有着明显的区别。中断上下文切换并不涉及到进程的用户态，因此在中断过程中打断了一个正处在用户态的进程时，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。相比之下，中断上下文只包括内核态中断服务程序执行所必需的状态，主要包括 CPU 寄存器、内核堆栈、硬件中断参数等。

中断上下文切换的特点：

内核态执行：
- 中断上下文切换是在内核态下执行的，与用户态进程无关。因此，不需要保存和恢复用户态的资源。
资源限定：
- 中断上下文主要关注于提供中断服务所需的最少资源，包括 CPU 寄存器、内核堆栈、硬件中断参数等。
- 与进程上下文切换相比，中断上下文切换的资源范围较为有限，着重于满足中断处理的基本需求。
无需虚拟内存切换：
- 由于中断上下文不牵涉用户态，因此无需切换虚拟内存。不同进程的虚拟内存空间在中断上下文中并不影响。
快速执行：
- 中断上下文切换的目标是尽快响应硬件中断，因此切换过程相对迅速。
- 这与进程上下文切换不同，后者可能涉及到更多的资源保存和恢复，因而相对较慢。