上下文切换
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上下文切换（英语：context switch），又称环境切换，电脑术语，是一个存储和重建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。要切换CPU上的进程时，必须先行存储目前进程的状态，再将欲执行的进程之状态读回CPU中。 [1]
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）[2][3]。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。
切换时机
有三种可能的情况会发生上下文切换，分别为：
多工
最常见的，在一些调度（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，操作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必须要进行上下文切换。
用户态或者内核态的切换
当用户态和内核态切换发生的时候，并不需要进行上下文切换；并且用户态和kernel mode的切换本身并不是一个上下文切换。不过，根据操作系统的不同，有时候会在此时进行一次上下文切换的步骤。
上下文切换：具体步骤
在一次切换中，第一个行程的状态要被纪录在某个地方，这样当调度器（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寄存器（register），特别是程序计数器；加上所有操作系统可能需要的特定资料。这些资料一般以名为进程控制块（process control block，PCB）的数据结构存储起来。
上下文切换：由软件或硬件实现
上下文切换主要由软件实现或由硬件实现。部分中央处理器，比如Intel 80386[4]或同系列更高阶的处理器，就具备支持上下文切换的硬件设计。
参考资料
- ^ Silberschatz, Abraham; Peter Baer Galvin, Greg Gagne. Operating System Principles 7. John Wiley & Sons (Asia) Pte Ltd. ISBN 0-4717-2595-1.
- ^ IA-64 Linux Kernel: Design and Implementation, 4.7 Switching Address Spaces （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- ^ Operating Systems, 5.6 The Context Switch, p. 118 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- ^ 存档副本. [2010-02-05]. （原始内容存档于2010-02-18）.
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)