linux中的上下文是什麼

在linux中，上下文又叫CPU上下文，是CPU運行任何任務前，必須依賴的環境，包括CPU暫存器和程式計數器；而上下文切換就是先把前一個任務的CPU上下文（也就是CPU暫存器和程式計數器）被保存起來，然後載入新任務的上下文到這些暫存器和程式計數器，最後再跳到程式計數器所指的新位置，執行新任務。

本教學操作環境：linux7.3系統、Dell G3電腦。

1.什麼是上下文？

Linux是一個多任務的作業系統，它支援遠大於CPU數量的任務同時運行，當然，這些任務實際上並不是真正的在同時運行，而是系統在很短的時間內，將CPU輪流分配給他們，造成使用者許多任務同時運作的錯覺。

在每個任務運行前， CPU 都需要知道任務從哪裡加載，然後又從哪裡開始運行。也就是說，需要係統事先為他設定好CPU 暫存器和程式計數器（Program Counter,PC）

• CPU 暫存器：是CPU 內建的容量小、但速度極快的記憶體

• 程式計數器：是用來儲存CPU 正在執行的指令位置、或即將執行的下一指令位置

綜上所述，我們就有答案了

什麼是上下文：

##我們通常說的上下文又叫CPU上下文，是CPU運作任何任務前，必須依賴的環境，包括CPU 暫存器和程式計數器

##上下文切換：

就是先把前一個任務的CPU 上下文（也就是CPU 暫存器和程式計數器）保存起來，然後載入新任務的上下文到這些暫存器和程式計數器，最後再跳到程式計數器所指的新位置，運行新任務。

2.上下文切換詳細介紹

#根據CPU切換執行任務的不同，又可以分成

進程上下文切換、線程上下文切換、中斷上下文切換

我們先了解下面2個上下文切換所涉及的知識點系統呼叫、進程運行態

• • Linux 依照特權等級，把行程的運作空間分成

    核心空間
  和
使用者空間

• 。在這兩種空間中運行的進程狀態分別稱為內核態

  和
  用戶態

  • 。

核心空間(Ring 0)：具有最高權限，可以直接存取所有資源（讀取文件，）

分配記憶體、IO操作、建立子程序…都是核心操作。這也表明，當IO操作頻繁時，System參數會很高。

使用者空間(Ring 3)：只能存取受限資源，無法直接存取記憶體等硬體設備，必須透過系統調用進入到核心中，才能存取這些特權資源

#########典型的使用者態空間程式有：Shells、資料庫、網頁伺服器、PHP程式、Java程式… ########################在linux系統使用top指令查看cpu時，能看到user和system兩項，對應的是使用者態和內核態佔用的cpu資源############如上，我們的web服務是運行在###用戶態######下的，對檔案的io沒有權限，當需要讀取取檔案時，就涉及###系統呼叫######了##################系統呼叫：########################系統呼叫：######

從使用者態到核心態的轉變，需要透過系統呼叫來完成。例如查看檔案時，需要執行多次系統呼叫：open、read、write、close等。系統呼叫的過程如下：

• 把CPU 暫存器裡原來使用者狀態的指令位置儲存起來；

• 為了執行核心程式碼，CPU 暫存器需要更新為核心狀態指令的新位置，最後跳到核心態運行核心任務；

• 系統呼叫結束後，CPU 暫存器需要恢復原來保存的用戶態，然後再切換到用戶空間，繼續運行進程；

##所以，一次系統呼叫的過程，其實是發生了兩次CPU 上下文切換。

進程上下文切換？

• 進程執行終止，它之前順頌的CPU就會被釋放出來，這時就從就緒佇列中取出下一個等待時間片的進程；

• 當某個進程的時間片耗盡，它就會被系統掛起，切換到其他等待CPU的進程運行；

• 某個行程因為需要的系統資源比較大(例如記憶體不足),這時候該行程會被掛起，系統會調度其他行程執行；

• 當有優先權較高的行程(系統作業流程)需要時間片，為了確保優先權較高的行程能夠執行，目前行程會被掛起;

• 如果目前行程有sleep函數，他也會被掛起；

線程的上下文切換？

對作業系統來說，執行緒是最小的執行單元，進程是最小的資源管理單元。說穿了，所謂內核中的任務調用，實際上的調度物件是線程；而進程只是給了線程虛擬記憶體、全域變數等資源。所以，對於現場和進程，我們可以這麼理解：

• 當進程只有一個執行緒時，可以認為進程就等於執行緒。

• 當行程擁有多個執行緒時，這些執行緒會共享父行程的資源（即共享相同的虛擬記憶體和全域變數等資源）。這些資源在上下文切換時是不需要修改的。

• 另外，線程也有自己的私有數據，例如堆疊和寄存器等，這些在上下文切換時也是需要保存的。

綜上，執行緒上下文切換有兩種情況：

• 前後兩個執行緒屬於不同進程，因為資源不共享，所以切換過程就跟進程上下文切換是一樣的；

• #前後兩個執行緒屬於同一個進程，因為虛擬記憶體是共享的，所以在切換時，虛擬記憶體這些資源就保持不動，只需要切換執行緒的私有資料、暫存器等不共享的資料。

中斷上下文切換？

中斷處理會打斷行程的正常排程和執行。在打斷其他進程時，需要將進程目前的狀態保存下來，中斷結束後，進程仍然可以從原來的狀態恢復運行。

中斷上下文切換並不涉及到行程的使用者狀態。所以，即便中斷過程打斷了一個正處在用戶態的進程，也不需要保存和恢復這個進程的虛擬記憶體、全域變數等用戶態資源。中斷上下文，其實只包含核心態中斷服務程式執行所必須的狀態，包括 CPU 暫存器、核心堆疊、硬體中斷參數等。

小結

根據Tsuna的測試報告，每次上下文切換都需要幾十奈秒到數微妙的CPU時間，這個時間還是相當可觀的。

不管是哪種場景導致的上下文切換，你都應該知道：

• CPU上下文切換，是保證Linux系統正常運作的核心功能之一，一般情況下不需要我們特別注意。

• 但過多的上下文切換，會把CPU時間消耗在寄存器、核心堆疊以及虛擬記憶體等資料的保存和恢復上，從而縮短進程真正運作的時間，導致系統的整體效能大幅下降。

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