上下文交換

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上下文交換(英语context switch),又稱環境切換,電腦術語,是一個儲存和重建CPU狀態 (內文),因此令多個行程(process)可以分享單一CPU資源的計算過程。要交換CPU上的行程時,必需先行儲存目前行程的狀態,再將欲執行的行程之狀態讀回CPU中。[1]

何時交換?[编辑]

有三種可能的情況會發生上下文交換,分別為:

多工[编辑]

最常見的,在一些排程(scheduling)演算法內,其中行程有時候需要暫時離開CPU,讓另一個行程進來CPU運作。在先佔式多工系統中,每一個行程都將輪流執行不定長度的時間,這些時間段落稱為time slice。如果行程並非自願讓出CPU(例如執行I/O操作時,行程就需放棄CPU使用權),當時限到時,系統將產生一個定時中斷,作業系統將排定由其它的行程來執行。此機制用以確保CPU不致被較依賴處理器運算的行程壟斷。若無定時中斷,除非行程自願讓出CPU,否則該行程將持續執行。對於擁有較多I/O指令的行程,往往執行不了多久,便需要讓出CPU;而較依賴處理器的行程相對而言I/O操作較少,反而能一直持續使用CPU,便形成了壟斷現象。此即Convoy效應。

中斷處理[编辑]

在接受到中斷的時候,CPU必須要進行上下文交換。

用戶狀態或者kernel狀態的交換[编辑]

用戶態kernel mode交換發生的時候,並不需要進行上下文交換;並且用戶態和kernel mode的交換本身並不是一個上下文交換。不過,根據作業系統的不同,有時候會在此時進行一次上下文交換的步驟。

上下文交換:具體步驟[编辑]

在一次交換中,第一個行程的狀態要被紀錄在某個地方,這樣當排程器(scheduler)要回到這個行程時,才可以重建這個行程並且繼續運算。

這裡所謂「行程的狀態」,包含了這個行程使用的所有暫存器(register),特別是程式計數器;加上所有作業系統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)的資料結構儲存起來。

上下文交換:由軟體或硬體實現[编辑]

上下文交換可分為主要由軟體實現或由硬體實現。部分中央處理器,比如Intel 80386[2]或同系列更高階的處理器,就具備支持上下文交換的硬體設計。

參考資料[编辑]

  1. ^ Silberschatz, Abraham; Peter Baer Galvin, Greg Gagne. Operating System Principles 7. John Wiley & Sons (Asia) Pte Ltd. ISBN 0-4717-2595-1. 
  2. ^ http://www.linfo.org/context_switch.html

外部連接[编辑]