操作系统CPU上下文切换

　　进程切换

　　进行进程切换就是从正在运行的进程中收回处理器，然后再使待运行进程来占用处理器。　这里所说的从某个进程收回处理器，实质上就是把进程存放在处理器 的寄存器中的中间数据找个地方存起来，从而把处理器的寄存器腾出来让其他进程使用。那么被中止运行进程的中间数据存在何处好呢？当然这个地方应该是进程的 私有堆栈。

　　让进程来占用处理器，实质上是把某个进程存放在私有堆栈中寄存器的数据（前一次本进程被中止时的中间数据）再恢复到处理器的寄存器中去，并把待运行进程的断点送入处理器的程序指针PC，于是待运行进程就开始被处理器运行了，也就是这个进程已经占有处理器的使用权了。

　　这就像多个同学要分时使用同一张课桌一样，说是要收回正在使用课桌同学的课桌使用权，实质上就是让他把属于他的东西拿走；而赋予某个同学课桌使用权，只不过就是让他把他的东西放到课桌上罢了。

　　在切换时，一个进程存储在处理器各寄存器中的中间数据叫做进程的上下文，所以进程的 切换实质上就是被中止运行进程与待运行进程上下文的切换。在进程未占用处理器时，进程 的上下文是存储在进程的私有堆栈中的。

　　从上面的叙述可知，调度器进程切换的代码应有如下功能：

　　● 保存处理器PC寄存器的值到被中止进程的私有堆栈；

　　● 保存处理器PSW寄存器的值到被中止进程的私有堆栈；

　　● 保存处理器SP寄存器的值到被中止进程的进程控制块；

　　● 保存处理器其他寄存器的值到被中止进程的私有堆栈；

　　● 自待运行进程的进程控制块取SP值并存入处理器的寄存器SP；

　　● 自待运行进程的私有堆栈恢复处理器各寄存器的值；

　　● 自待运行进程的私有堆栈中弹出PSW值并送入处理器的PSW；

　　● 自待运行进程的私有堆栈中弹出PC值并送入处理器的PC。

　　显然，进程的切换可以用中断技术来实现，即当调度器获得了待运行进程的控制块之后，应立即用软 中断指令来中止当前进程的运行，并保存当前进程的PC值和PSW值。其后，使 用压栈指令把处理器其他寄存器的值压入进程私有堆栈。接下来，就从待运行进程的进程控 制块中取出私有堆栈指针的值并存入处理器的寄存器SP，至此SP就指向了待运行进程的私 有堆栈，于是下面就自待运行进程的私有堆栈中弹出上下文进人处理器。最后，利用中断返回指令来实现自待运行进程的私有堆栈中弹出PSW值和自待运行进程的 私有堆栈中弹出PC值的功能。

　　这是一个完整的软中断处理过程，只不过在保护现场和恢复现场工作中，保护的是被中止 运行进程的现场，恢复的是待运行进程的现场，这一切都依赖于堆栈指针的切换。

　　进程调度

　　1：进程类型：

　　在linux调度算法中，将进程分为两种类型。即：I/O消耗型和CPU消耗型。例如文本处理程序与正在执行的Make的程序。文本处理程序大部份时间都 在等待I/O设备的输入，而make程序大部份时间都在CPU的处理上。因此为了提高响应速度，I/O消耗程序应该有较高的优先级，才能提高它的交互性。 相反的，Make程序相比之下就不那么重要了。只要它能处理完就行了。因此，基于这样的原理，linux有一套交互程序的判断机制。

　　在task_struct结构中新增了一个成员：sleep_avg.此值初始值为100。进程在CPU上执行时，此值减少。当进程在等待时，此值增加。最后，在调度的时候。根据sleep_avg的值重新计算优先级。

　　2：进程优先级

　　正如我们在上面所说的：交互性强的需要高优先级，交互性弱的需要低优先级。在linux系统中，有两种优先级：普通优先级和实时优先级。

　　3：运行时间片

　　进程的时间片是指进程在抢占前可以持续运行的时间。在linux中，时间片长短可根据优先级来调度。进程不一定要一次运行完所有的时间片，可以在运时的中途被切换出去。

　　4：进程抢占

　　当一个进程被设为TASK_RUNING状态时。它会判断它的优先级是否高于正在运行的进程。如果是，则设置调度标志位，调用schedule（）执行进程的调度。当一个进程的时间片为0时，也会执行进程抢占。

　　关于CPU，有3个重要的概念：上下文切换（context switchs），运行队列（Run queue）和使用率（utilization）。

　　上下文切换：

　　目前流行的CPU在同一时间内只能运行一个线程，超线程的处理器可以在同一时间运行多个线程（包括多核CPU），Linux内核会把多核的处理器当作多个单独的CPU来识别。

　　一个标准的Linux内核可以支持运行50～50000个进程运行，对于普通的CPU，内核会调度和执行这些进程。每个进程都会分到CPU的时间片来运 行，当一个进程用完时间片或者被更高优先级的进程抢占后，它会备份到CPU的运行队列中，同时其他进程在CPU上运行。这个进程切换的过程被称作上下文切 换。过多的上下文切换会造成系统很大的开销。

　　运行队列

　　每个CPU都会维持一个运行队列，理想情况下，调度器会不断让队列中的进程运行。进程不是处在sleep状态就是run able状态。如果CPU过载，就会出现调度器跟不上系统的要求，导致可运行的进程会填满队列。队列愈大，程序执行时间就愈长。

　　关于时间片和动态优先级

　　时间片对于CPU来说是很关键的参数，如果时间片太长，就会使系统的交互性能变差，用户感觉不到并行。如果太短，又会造成系统频繁的上下文切换，使性能 下降。对于IO Bound的系统来讲并不需要太长的时间片，因为系统主要是IO操作；而对于CPU Bound的系统来说需要长的时间片以保持cache的有效性。

　　每一个进程启动的时候系统都会给出一个默认的优先级，但在运行过程中，系统会根据进程的运行状况不断调整优先级，内核会升高或降低进程的优先级（每次增加或降低5），判断标准是根据进程处于sleep状态的时间。

　　IO Bound进程大部分时间在sleep状态，所以内核会调高它的优先级，CPU Bound进程会被内核惩罚降低优先级。因此，如果一个系统上即运行IO Bound进程，又运行CPU Bound进程，会发现，IO Bound进程的性能不会下降，而CPU Bound进程性能会不断下降。

　　经验总结：

　　1、对于每一个CPU来说运行队列不要超过2，例如，如果是双核CPU就不要超过4；

　　2、如果CPU在满负荷运行，应该符合下列分布，

　　a）User Time：65%～70%

　　b）System Time：30%～35%

　　c）Idle：0%～5%

　　3、对于上下文切换要结合CPU使用率来看，如果CPU使用满足上述分布，大量的上下文切换也是可以接受的。