สวิตช์บริบทคืออะไร?

ในยุคแรก ๆ ของการคำนวณ CPU เป็นเครื่องที่ทำงานตามลำดับเท่านั้น สิ่งนี้ช่วยให้การออกแบบเรียบง่าย อย่างไรก็ตาม มันยังจำกัดประสิทธิภาพอีกด้วย กระบวนการจำนวนมากจำเป็นต้องร้องขอข้อมูลจาก RAM ของระบบหรือฮาร์ดไดรฟ์ แม้ว่า RAM ของระบบจะเร็ว แต่ก็ยังไม่เร็วเท่า CPU ปล่อยไว้เฉยๆ รอข้อมูลจนกว่าการตอบสนองจะกลับมาจาก RAM สถานการณ์ยิ่งแย่ขึ้นไปอีกสำหรับข้อมูลที่ร้องขอจากฮาร์ดไดรฟ์ ซึ่งเป็นอุปกรณ์เก็บข้อมูลที่ช้ากว่า RAM มาก ที่นี่ CPU สามารถไม่ได้ใช้งานเป็นระยะเวลานานเพื่อรอการตอบกลับ น่าเสียดาย เมื่อใช้โปรเซสเซอร์แบบซีเควนเชียล ปัญหานี้เป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้

โชคดีที่ซีพียูสมัยใหม่ไม่เรียงลำดับกันอีกต่อไป พวกเขามีคุณสมบัติขั้นสูงมากมาย เช่น การดำเนินการนอกคำสั่งและหลายเธรด การดำเนินการนอกคำสั่งช่วยให้ CPU สามารถวิเคราะห์คำสั่งที่กำลังจะมาถึงและจัดลำดับใหม่เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุด มัลติเธรดช่วยให้ CPU มีเธรดหรือกระบวนการต่างๆ มากมายที่กำลังทำงานอยู่

นอกเหนือจากการมีหลายคอร์แล้ว CPU ไม่สามารถทำงานมากกว่าหนึ่งคอร์ในแต่ละครั้งได้ อย่างไรก็ตาม มันสามารถทำให้ดูเหมือนได้โดยการสลับไปมาระหว่างกันเป็นประจำเพื่อให้แน่ใจว่าแต่ละอันจะได้รับเวลา CPU คงที่ในจำนวนที่ประเมินค่าได้ กระบวนการสลับระหว่างเธรดเรียกว่าสวิตช์บริบท

สวิตช์บริบททำงานอย่างไร

สวิตช์บริบทประกอบด้วยสองส่วน การสลับเธรดก่อนหน้าและการสลับในเธรดใหม่ หากต้องการเปลี่ยนเธรดเก่า CPU จะต้องบันทึกสถานะปัจจุบันไปยัง Process Control Block หรือสวิตช์เฟรม ซึ่งรวมถึงค่าของการลงทะเบียน CPU ที่เกี่ยวข้องและประกอบด้วยค่าของตัวนับโปรแกรมเสมอ เมื่อเก็บเธรดแล้ว แฮนเดิลสามารถเพิ่มไปยังคิวที่พร้อมใช้งานเพื่อให้สามารถกู้คืนได้เมื่อจำเป็น

การสลับในเธรดต่อไปนี้เป็นกระบวนการเดียวกันในการย้อนกลับ เธรดถูกเลือกจากคิวที่พร้อม ขึ้นอยู่กับการถ่วงน้ำหนัก หรือสามารถเลือกได้โดยการขัดจังหวะเพื่อระบุว่าเหตุการณ์ที่เธรดรออยู่นั้นพร้อมหรือเสร็จสมบูรณ์แล้ว จากนั้น ข้อมูลสำหรับเธรดจะถูกคัดลอกลงในรีจิสเตอร์ที่ถูกต้อง และเธรดจะถูกกู้คืน ณ จุดนี้ เธรดใหม่พร้อมที่จะดำเนินการต่อจากจุดที่หยุดทำงาน

ผลกระทบด้านประสิทธิภาพ

กระบวนการอ่านและเขียนข้อมูลเมื่อสลับเธรดเข้าหรือออกนั้นใช้เวลาพอสมควร แต่ไม่มากนัก เนื่องจากหน่วยความจำที่ใช้โดยทั่วไปมีความเร็วสูง อย่างไรก็ตาม ยังมีค่าใช้จ่ายในการดำเนินการเพิ่มเติม เมื่อสลับเธรด ข้อมูลในแคช CPU และบัฟเฟอร์จากเธรดก่อนหน้า อาจไม่เกี่ยวข้องกับเธรดใหม่ สิ่งนี้สามารถนำไปสู่การเพิ่มขึ้นอย่างมากใน TLB ( Translation Lookaside Buffer ) และแคชหายไป

เอฟเฟกต์นี้ไม่มีนัยสำคัญหากเธรดทั้งสองถูกสร้างขึ้นด้วยกระบวนการเดียวกัน เนื่องจากเธรดเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะใช้องค์ประกอบหน่วยความจำร่วมกันจำนวนมาก ต้องล้าง TLB ทั้งหมดเมื่อสลับระหว่างเธรดจากวิธีการต่างๆ สิ่งนี้นำไปสู่อัตราการพลาด TLB 100% ในขณะที่อัตราการเข้าชมของแคช CPU จะลดลงอย่างมากเช่นกัน

แม้ว่า CPU จะให้การสนับสนุนฮาร์ดแวร์สำหรับการสลับบริบท แต่โดยทั่วไปแล้วระบบปฏิบัติการจะไม่ใช้สิ่งนี้ การสลับบริบทของฮาร์ดแวร์ขาดการรับรู้ถึงความเกี่ยวข้องของข้อมูล ดังนั้นจึงจำเป็นต้องจัดเก็บและกู้คืนการลงทะเบียนทั้งหมด เพิ่มเวลาที่ใช้และพื้นที่จัดเก็บที่จำเป็น

นอกจากนี้ การสลับบริบทของฮาร์ดแวร์ไม่ได้จัดเก็บข้อมูลจากการลงทะเบียนจุดลอยตัว ซึ่งเป็นฟังก์ชันที่อาจจำเป็น ดังนั้นการสลับบริบทของซอฟต์แวร์จึงใช้โดยทั่วไป อนุญาตให้เก็บข้อมูลจากการลงทะเบียนทั้งหมด รวมถึงการลงทะเบียนทศนิยม สวิตช์บริบทของซอฟต์แวร์มีความเข้าใจเกี่ยวกับความเกี่ยวข้องของข้อมูล ซึ่งหมายความว่าสามารถเลือกเก็บได้ตามต้องการ

บทสรุป

สวิตช์บริบทเป็นกระบวนการที่ CPU สมัยใหม่สลับเธรดที่กำลังทำงานอยู่ กระบวนการเกี่ยวข้องกับการจัดเก็บข้อมูลที่เกี่ยวข้องของเธรดปัจจุบันและการกู้คืนข้อมูลที่เกี่ยวข้องของเธรดใหม่ การสลับบริบทมาพร้อมกับค่าใช้จ่ายด้านประสิทธิภาพที่เกี่ยวข้องกับเวลาที่จำเป็นในการดำเนินการเปลี่ยน และอัตราที่เพิ่มขึ้นของแคชและ TLB ที่หายไปเนื่องจากไม่ได้จัดเก็บสิ่งเหล่านี้ สวิตช์บริบทเกิดขึ้นเพื่อให้แน่ใจว่าเธรดทั้งหมดมีเวลา CPU เพียงพอหรือเนื่องจากการขัดจังหวะซึ่งบ่งชี้ว่าเหตุการณ์ที่บรรทัดรออยู่นั้นเสร็จสมบูรณ์