Co to jest przełącznik kontekstu?

We wczesnych latach komputerów procesory były maszynami czysto sekwencyjnymi. Pomogło to zachować prostotę projektów. Jednak ograniczało to również wydajność. Wiele procesów będzie musiało zażądać danych z systemowej pamięci RAM lub dysku twardego. Chociaż systemowa pamięć RAM jest szybka, wciąż nie jest tak szybka jak procesor, pozostawiając go bezczynnym, czekając na dane, aż wróci odpowiedź z pamięci RAM. Jeszcze gorzej sytuacja wygląda w przypadku danych żądanych z dysku twardego, urządzenia pamięci masowej znacznie wolniejszego niż pamięć RAM. Tutaj procesor może być bezczynny przez znaczne okresy, czekając na odpowiedź. Niestety w przypadku procesorów sekwencyjnych ten problem jest po prostu nieunikniony.

Na szczęście nowoczesne procesory nie są już sekwencyjne. Oferują wiele zaawansowanych funkcji, takich jak wykonywanie poza kolejnością i wiele wątków. Wykonywanie poza kolejnością pozwala procesorowi analizować nadchodzące instrukcje i zmieniać ich kolejność, aby zmaksymalizować wydajność. Wielowątkowość umożliwia procesorowi uruchamianie wielu różnych wątków lub procesów.

Poza posiadaniem wielu rdzeni procesor nie może działać więcej niż jeden na raz. Może jednak sprawiać wrażenie, przełączając się między nimi regularnie, aby zapewnić każdemu z nich znaczną ilość stałego czasu procesora. Proces przełączania między wątkami nazywany jest przełączaniem kontekstu.

Jak działa przełącznik kontekstu?

Przełączanie kontekstu składa się z dwóch części, przełączania poprzedniego wątku i przełączania nowego. Aby zmienić stary wątek, CPU musi zapisać swój aktualny stan w bloku sterowania procesem lub w ramce przełączania. Obejmuje to wartości odpowiednich rejestrów CPU i zawsze składa się z wartości licznika programu. Po zapisaniu wątku uchwyt można dodać do gotowej kolejki, aby umożliwić jej przywrócenie w razie potrzeby.

Przełączanie w następnym wątku to ten sam proces w odwrotnej kolejności. Wątek jest wybierany albo z kolejki gotowych, w zależności od wagi. Alternatywnie, można go wybrać przez przerwanie wskazujące, że zdarzenie, na które wątek czekał, jest teraz gotowe lub zakończone. Dane dla wątku są następnie kopiowane do odpowiednich rejestrów, a wątek jest przywracany. W tym momencie nowy wątek jest gotowy do kontynuowania działania od miejsca, w którym się zatrzymał.

Wpływ na wydajność

Proces odczytu i zapisu danych podczas włączania i wyłączania wątku zajmuje trochę czasu, choć niewiele, ponieważ używana pamięć jest zwykle szybka. Wiąże się to jednak z dodatkowymi kosztami wydajności. Podczas przełączania wątków dane w pamięci podręcznej procesora i buforach z poprzedniego wątku mogą nie być istotne dla nowego wątku. Może to prowadzić do znacznego wzrostu TLB ( Translation Lookaside Buffer ) i chybień w pamięci podręcznej.

Ten efekt nie jest znaczący, jeśli dwa wątki zostały wygenerowane przez ten sam proces, ponieważ prawdopodobnie współdzielą znaczne elementy pamięci. TLB musi zostać całkowicie przepłukany podczas przełączania między wątkami z różnych metod. Prowadzi to do 100% wskaźnika chybień TLB, podczas gdy wskaźnik trafień w pamięci podręcznej procesora jest również znacznie zmniejszony.

Podczas gdy procesory oferują sprzętową obsługę przełączania kontekstu, systemy operacyjne zwykle tego nie używają. Sprzętowe przełączanie kontekstu nie ma świadomości znaczenia danych. Dlatego musi przechowywać i przywracać wszystkie rejestry, zwiększając czas i wymaganą przestrzeń do przechowywania.

Ponadto sprzętowe przełączanie kontekstu nie przechowuje danych z rejestrów zmiennoprzecinkowych, co może być konieczne. Dlatego powszechnie stosuje się przełączanie kontekstu oprogramowania. Pozwala na przechowywanie danych ze wszystkich rejestrów, w tym rejestrów zmiennoprzecinkowych. Przełączniki kontekstu oprogramowania rozumieją istotność danych. Oznacza to, że może wybierać, które z nich przechowywać w razie potrzeby.

Wniosek

Przełączanie kontekstu to proces, za pomocą którego nowoczesny procesor przełącza uruchomiony wątek. Proces obejmuje przechowywanie odpowiednich danych bieżącego wątku i przywracanie odpowiednich danych nowego wątku. Przełączanie kontekstu wiąże się z kosztem wydajności związanym z czasem potrzebnym do wykonania przełączenia, a także ze zwiększoną częstotliwością chybień w pamięci podręcznej i TLB, ponieważ nie są one przechowywane. Przełączenia kontekstu mają miejsce albo w celu zapewnienia, że ​​wszystkie wątki mają dobry zapas czasu procesora, albo z powodu przerwania wskazującego, że zdarzenie, na które czekała linia, zostało zakończone.