什麼是上下文切換？

在計算的早期，CPU 是純粹的順序機器。這有助於保持設計簡單。但是，它也限制了性能。許多進程需要從系統 RAM 或硬盤請求數據。雖然系統 RAM 很快，但它仍然不如 CPU 快，讓它處於空閒狀態，等待數據直到 RAM 返迴響應。對於從硬盤驅動器請求的數據，情況更糟，這是一種比 RAM 慢得多的存儲設備。在這裡，CPU 可能會空閒很長時間，等待響應。不幸的是，對於順序處理器，這個問題是不可避免的。

值得慶幸的是，現代 CPU 不再是順序的。它們提供了許多高級功能，例如亂序執行和多線程。亂序執行允許 CPU 分析即將到來的指令並重新排序以最大限度地提高效率。多線程允許 CPU 運行許多不同的線程或進程。

除了擁有多個內核之外，CPU 一次不能運行多個內核。但是，它可以通過定期在它們之間切換來使其看起來像它，以確保它們每個都獲得可觀的恆定 CPU 時間。在線程之間切換的過程稱為上下文切換���

上下文切換如何工作？

上下文切換由兩部分組成，切換出前一個線程和切換到新線程。要更改舊線程，CPU 必須將其當前狀態保存到進程控制塊或切換幀。這包括任何相關 CPU 寄存器的值，並且始終由程序計數器的值組成。存儲線程後，可以將句柄添加到就緒隊列，以便在需要時恢復它。

後麵線程中的切換是相反的過程。根據權重從就緒隊列中選擇一個線程。或者，它可以通過中斷來選擇，指示線程正在等待的事件現在已經準備好或完成。然後將線程的數據複製到正確的寄存器中，然後恢復線程。此時，新線程已準備好從它停止的地方繼續運行。

性能影響

切換線程時讀取和寫入數據的過程需要一些時間，儘管時間不多，因為使用的內存通常是高速的。然而，還有進一步的性能成本。切換線程時，前一個線程的 CPU 緩存和緩衝區中的數據可能與新線程無關。這會導致 TLB（轉換後備緩衝區）和緩存未命中的顯著增加。

如果這兩個線程是由同一個進程生成的，則這種影響並不顯著，因為它們可能共享相當多的內存元素。在不同方法的線程之間切換時，必須完全刷新 TLB。這導致 100% 的 TLB 未命中率，同時 CPU 緩存的命中率也顯著降低。

雖然 CPU 為上下文切換提供硬件支持，但操作系統通常不使用它。硬件上下文切換缺乏對數據相關性的認識。因此需要存儲和恢復所有的寄存器，增加了所花費的時間和所需的存儲空間。

此外，硬件上下文切換不存儲來自浮點寄存器的數據，這可能是必需的功能。因此，通常使用軟件上下文切換。它允許保留來自所有寄存器的數據，包括浮點寄存器。軟件上下文切換確實了解數據的相關性。這意味著它可以根據需要挑选和選擇要存儲的內容。

結論

上下文切換是現代 CPU 切換它正在運行的線程的過程。該過程涉及存儲當前線程的相關數據和恢復新線程的相關數據。上下文切換伴隨著與執行切換所需時間相關的性能成本，以及緩存和 TLB 未命中率的增加，因為這些未存儲。上下文切換的發生要么是為了確保所有線程都有充足的 CPU 時間供應，要么是因為中斷指示線路正在等待的事件已完成。