上下文切换

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上下文交换（英语：context switch），又称环境切换，电脑术语，是一个储存和重建CPU的状态（上下文），因此令多个进程（process）可以分享单一CPU资源的计算过程。要交换CPU上的进程时，必须先行储存目前进程的状态，再将欲执行的进程之状态读回CPU中。

开销

上下文切换通常是计算密集型的，操作系统中的许多设计都是针对上下文切换的优化。在进程间切换需要消耗一定的时间进行相关的管理工作——包括寄存器和内存映射的保存与读取、更新各种内部的表等等。处理器或者操作系统不同，上下文切换时所涉及的内容也不尽相同。比如在Linux内核中，上下文切换需要涉及寄存器（register）、栈指针（stack pointer）、程序计数器（program counter）的切换，但和地址空间的切换无关（虽然进程在进行上下文切换时也需要做地址空间的切换）。用户态线程之间也会发生类似的上下文切换，但这样的切换非常轻量。

交换时机

有三种可能的情况会发生上下文交换，分别为：

多工

最常见的，在一些排程（scheduling）算法内，其中行程有时候需要暂时离开CPU，让另一个行程进来CPU运作。在先占式多工系统中，每一个行程都将轮流执行不定长度的时间，这些时间段落称为时间片。如果行程并非自愿让出CPU（例如执行I/O操作时，行程就需放弃CPU使用权），当时限到时，系统将产生一个定时中断，作业系统将排定由其它的行程来执行。此机制用以确保CPU不致被较依赖处理器运算的行程垄断。若无定时中断，除非行程自愿让出CPU，否则该行程将持续执行。对于拥有较多I/O指令的行程，往往执行不了多久，便需要让出CPU；而较依赖处理器的行程相对而言I/O操作较少，反而能一直持续使用CPU，便形成了垄断现象。

中断处理

在接受到中断（Interrupt）的时候，CPU必须要进行上下文交换。

用户态或者内核态的交换

当用户态和内核态交换发生的时候，并不需要进行上下文交换；并且用户态和kernel mode的交换本身并不是一个上下文交换。不过，根据作业系统的不同，有时候会在此时进行一次上下文交换的步骤。

上下文交换：具体步骤

在一次交换中，第一个行程的状态要被纪录在某个地方，这样当排程器（scheduler）要回到这个行程时，才可以重建这个行程并且继续运算。

这里所谓“行程的状态”，包含了这个行程使用的所有暂存器（register），特别是程式计数器；加上所有作业系统可能需要的特定资料。这些资料一般以名为行程控制表（process control block，PCB）的资料结构储存起来。

上下文交换：由软体或硬体实现

上下文交换主要由软体实现或由硬体实现。部分中央处理器，比如Intel 80386或同系列更高阶的处理器，就具备支持上下文交换的硬体设计。

外部链接

• Context Switching（页面存档备份，存于互联网档案馆） - at OSDev.org
• Context Switch Definition - by The Linux Information Project (LINFO)
• Context Switches - from the Microsoft Developer Network (MSDN)