上下文交換:具體步驟

上下文交換(context switch)，又稱環(huán)境切換，電腦術(shù)語(yǔ)，是一個(gè)儲(chǔ)存和重建CPU的狀態(tài) (內(nèi)文)，因此令多個(gè)進(jìn)程(process)可以分享單一CPU資源的計(jì)算過(guò)程。要交換CPU上的進(jìn)程時(shí)，必需先行儲(chǔ)存目前進(jìn)程的狀態(tài)，再將欲執(zhí)行的進(jìn)程之狀態(tài)讀回CPU中。

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何時(shí)交換?

有三種可能的情況會(huì)發(fā)生上下文交換，分別為：

多工

最常見(jiàn)的，在一些排程(scheduling)算法內(nèi)，其中行程有時(shí)候需要暫時(shí)離開(kāi)CPU，讓另一個(gè)行程進(jìn)來(lái)CPU運(yùn)作。在先占式多工系統(tǒng)中，每一個(gè)行程都將輪流執(zhí)行不定長(zhǎng)度的時(shí)間，這些時(shí)間段落稱為時(shí)間片。如果行程并非自愿讓出CPU(例如執(zhí)行I/O操作時(shí)，行程就需放棄CPU使用權(quán))，當(dāng)時(shí)限到時(shí)，系統(tǒng)將產(chǎn)生一個(gè)定時(shí)中斷，操作系統(tǒng)將排定由其它的行程來(lái)執(zhí)行。此機(jī)制用以確保CPU不致被較依賴處理器運(yùn)算的行程壟斷。若無(wú)定時(shí)中斷，除非行程自愿讓出CPU，否則該行程將持續(xù)執(zhí)行。對(duì)于擁有較多I/O指令的行程，往往執(zhí)行不了多久，便需要讓出CPU；而較依賴處理器的行程相對(duì)而言I/O操作較少，反而能一直持續(xù)使用CPU，便形成了壟斷現(xiàn)象。此即Convoy效應(yīng)。

中斷處理

在接受到中斷（Interrupt）的時(shí)候，CPU必須要進(jìn)行上下文交換。

用戶態(tài)或者內(nèi)核態(tài)的交換

當(dāng)用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)交換發(fā)生的時(shí)候，并不需要進(jìn)行上下文交換；并且用戶態(tài)和kernel mode的交換本身并不是一個(gè)上下文交換。不過(guò)，根據(jù)操作系統(tǒng)的不同，有時(shí)候會(huì)在此時(shí)進(jìn)行一次上下文交換的步驟。

上下文交換:具體步驟

在一次交換中，第一個(gè)行程的狀態(tài)要被紀(jì)錄在某個(gè)地方，這樣當(dāng)排程器(scheduler)要回到這個(gè)行程時(shí)，才可以重建這個(gè)行程并且繼續(xù)運(yùn)算。

這里所謂“行程的狀態(tài)”，包含了這個(gè)行程使用的所有暫存器(register)，特別是程式計(jì)數(shù)器；加上所有操作系統(tǒng)可能需要的特定資料。這些資料一般以名為行程控制表(process control block，PCB)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)儲(chǔ)存起來(lái)。

上下文交換:由軟件或硬件實(shí)現(xiàn)

上下文交換可分為主要由軟件實(shí)現(xiàn)或由硬件實(shí)現(xiàn)。部分中央處理器，比如Intel 80386或同系列更高階的處理器，就具備支持上下文交換的硬件設(shè)計(jì)。