程序员经验分享-hwhale

CPU分时、中断和上下文切换

2023-05-16

准备知识：

实时和分时

嵌入式操作系统可以分为实时操作系统和分时操作系统两类。我们现实之中使用的绝大多数是分时操作系统，比如windows或者linux。但是比如汽车就必须使用实时操作系统，举一个经常使用的实例，中高档汽车中使用的气囊。当报告车辆碰撞的传感器中断CPU后，操作系统应快速地分配展开气囊的任务，并且不允许任何其他非实时处理进行干扰，晚一秒钟展开气囊比没有气囊的情况更糟糕，这就是一个典型的必须使用硬实时的系统。而最近特斯拉处于风口浪尖，刹车不灵，就是因为刹车辅助系统没有及时开启，因为他使用的还是个分时系统。所以从技术上讲，特斯拉并不可靠。由于我们这里是个引子，我们不做多介绍。感兴趣的同学可以看看此文：https://blog.csdn.net/zhourui1982

中断

中断就是打断处理器当前的执行流程，去执行另外一些和当前工作不相干的指令，执行完之后，还可以返回到原来的程序流程继续执行。举个例子：“时钟中断”是特别重要的一个中断，利用晶振产生的方波信号输入，使得cpu按照这个频率去产生中断指令，也就是我们的时间片轮转调度算法的基础（时间片就是我们分配给每个任务的执行时间）。整个操作系统的活动都受到它的激励，系统利用时钟中断维持系统时间、促使环境的切换，以保证所有进程共享CPU，这使得我们同时使用多个应用程序成为可能;利用时钟中断进行记帐、监督系统工作以及确定未来的调度优先级等工作。可以说，“时钟中断”是整个操作系统的脉搏。总结：中断就是主动让出cpu的执行权限，让别的程序来执行。

 

内核态和用户态

操作系统在加载的时候，会把所管理的内存划分为两个区域，一些处于内核态（受到操作系统保护），一些处于用户态。用户态是不能直接访问内核态的地址空间的。对 32 位操作系统而言，它的寻址空间（虚拟地址空间，或叫线性地址空间）为 4G（2的32次方),也就是说一个进程的最大地址空间有4GB，其中，0-3G是属于用户空间，3-4G是内核空间。操作系统的核心是内核(kernel)，它独立于普通的应用程序，可以访问受保护的内存空间，也有访问底层硬件设备的所有权限。为了保证内核的安全，现在的操作系统一般都强制用户进程不能直接操作内核。具体的实现方式基本都是由操作系统将虚拟地址空间划分为两部分，一部分为内核空间，另一部分为用户空间。针对 Linux 操作系统而言，最高的 1G 字节(从虚拟地址 0xC0000000 到 0xFFFFFFFF)由内核使用，称为内核空间。而较低的 3G 字节(从虚拟地址 0x00000000 到 0xBFFFFFFF)由各个进程使用，称为用户空间。

换句话说就是， 最高 1G 的内核空间是被所有进程共享的！

在用户态下，进程运行在用户地址空间中，被执行的代码要受到 CPU 的诸多检查，它们只能访问映射其地址空间的页表项中规定的在用户态下可访问页面的虚拟地址，且只能对任务状态段(TSS)中 I/O 许可位图(I/O Permission Bitmap)中规定的可访问端口进行直接访问。

内核有 4 项工作：

  1. 内存管理：追踪记录有多少内存存储了什么以及存储在哪里
  2. 进程管理：确定哪些进程可以使用中央处理器（CPU）、何时使用以及持续多长时间
  3. 设备驱动程序：充当硬件与进程之间的调解程序/解释程序
  4. 系统调用和安全防护：从流程接受服务请求

在正确实施的情况下，内核对于用户是不可见的，它在自己的小世界（称为内核空间）中工作，并从中分配内存和跟踪所有内容的存储位置。用户所看到的内容（例如 Web 浏览器和文件）则被称为用户空间。这些应用通过系统调用接口（SCI）与内核进行交互。举例来说，内核就像是一个为高管（硬件）服务的忙碌的个人助理。助理的工作就是将员工和公众（用户）的消息和请求（进程）转交给高管，记住存放的内容和位置（内存），并确定在任何特定的时间谁可以拜访高管、会面时间有多长。

为什么要这么划分呢？

系统执行的代码通过以下两种模式之一在 CPU 上运行：内核模式或用户模式。在内核模式下运行的代码可以不受限制地访问硬件，在 CPU 的所有指令中，有些指令是非常危险的，如果错用，将导致系统崩溃，比如清内存、设置时钟等。如果允许所有的程序都可以使用这些指令，那么系统崩溃的概率将大大增加。如果留给程序员的话也会大大加大编程和环境的复杂度，这样设计使得硬件资源堆程序猿来说屏蔽了。而用户模式则会限制 SCI 对 CPU 和内存的访问。内存也存在类似的分隔情况（内核空间和用户空间）。这两个小细节构成了一些复杂操作的基础，例如安全防护、构建容器和虚拟机的权限分隔。这也意味着：如果进程在用户模式下失败，则损失有限，无伤大雅，可以由内核进行修复。另一方面，由于内核进程要访问内存和处理器，因此内核进程的崩溃可能会引起整个系统的崩溃。由于用户进程之间会有适当的保护措施和权限要求，因此一个进程的崩溃通常不会引起太多问题。对于以前的 DOS 操作系统来说，是没有内核空间、用户空间以及内核态、用户态这些概念的。可以认为所有的代码都是运行在内核态的，因而用户编写的应用程序代码可以很容易的让操作系统崩溃掉。对于 Linux 来说，通过区分内核空间和用户空间的设计，隔离了操作系统代码(操作系统的代码要比应用程序的代码健壮很多)与应用程序代码。即便是单个应用程序出现错误也不会影响到操作系统的稳定性，这样其它的程序还可以正常的运行(Linux 可是个多任务系统啊！)。

所以，区分内核空间和用户空间本质上是要提高操作系统的稳定性及可用性。

如何从用户空间进入内核空间

其实所有的系统资源管理都是在内核空间中完成的。比如读写磁盘文件，分配回收内存，从网络接口读写数据等等。我们的应用程序是无法直接进行这样的操作的。但是我们可以通过内核提供的接口来完成这样的任务。

比如应用程序要读取磁盘上的一个文件，它可以向内核发起一个 "系统调用" 告诉内核："我要读取磁盘上的某某文件"。

这时需要一个这样的机制: 用户态程序切换到内核态, 但是不能控制在内核态中执行的指令。这种机制叫系统调用, 在CPU中的实现称之为陷阱指令(Trap Instruction)

他们的工作流程如下:

用户态程序将一些数据值放在寄存器中, 或者使用参数创建一个堆栈(stack frame), 以此表明需要操作系统提供的服务.用户态程序执行陷阱指令，CPU切换到内核态, 并跳到位于内存指定位置的指令, 这些指令是操作系统的一部分, 他们具有内存保护, 不可被用户态程序访问。这些指令称之为陷阱(trap)或者系统调用处理器(system call handler). 他们会读取程序放入内存的数据参数, 并执行程序请求的服务，系统调用完成后, 操作系统会重置CPU为用户态并返回系统调用的结果。CPU的使命就是执行程序中的指令，而且CPU内部有很多用于存放数据的寄存器，其中比较重要的一个寄存器叫EIP寄存器，它用于存储下一条要执行的指令。除了EIP寄存器之外，还有一个比较重要的寄存器叫ESP寄存器，它用于保存程序的栈顶位置。除此之外，CPU还有很多其他用途的寄存器，如：通用寄存器EAX、EDX和段寄存器CS、DS等等。寄存器知识：http://www.360doc.com/content/19/1205/13/277688_877598997.shtml。当一个程序被执行（称为进程）的时候，这些寄存器的值通常会被修改。所以当要切换进程执行的时候，只需要把这些寄存器的值保存下来，然后把新进程寄存器的值赋值到CPU中，那么就完成进程切换了，通常我们把这个过程称为上下文切换。 其实际含义是任务切换, 或者CPU寄存器切换。当多任务内核决定运行另外的任务时, 它保存正在运行任务的当前状态, 也就是CPU寄存器中的全部内容。这些内容被保存在任务自己的堆栈中, 入栈工作完成后就把下一个将要运行的任务的当前状况从该任务的栈中重新装入CPU寄存器, 并开始下一个任务的运行, 这一过程就是context switch。

对于一个进程来讲，从用户空间进入内核空间并最终返回到用户空间，这个过程是十分复杂的。举个例子，比如我们经常接触的概念 "堆栈"，其实进程在内核态和用户态各有一个堆栈。运行在用户空间时进程使用的是用户空间中的堆栈，而运行在内核空间时，进程使用的是内核空间中的堆栈。所以说，Linux 中每个进程有两个栈，分别用于用户态和内核态。

下图简明的描述了用户态与内核态之间的转换：

‘

那么从用户态进程到内核态进程是怎么发生的？

  • 用户线程
    • 由应用程序创建、调度、撤销，不需要内核的支持（内核不感知）
    • 由于不需要内核的支持，便不涉及用户态/内核态的切换，消耗的资源较少，速度也较快
    • 由于需要应用程序控制线程的轮换调度，当有一个用户线程被阻塞时，整个所属进程便会被阻塞，同时在多核处理器下只能在一个核内分时复用，不能充分利用多核优势
  • 内核线程
    • 由内核创建、调用、撤销，并由内核维护线程的上下文信息及线程切换
    • 由于内核线程由内核进行维护，当一个内核线程被阻塞时，不会影响其他线程的正常运行，并且多核处理器下，一个进程内的多个线程可以充分利用多核的优势同时执行
    • 由于需要内核进行维护，在线程创建、切换过程中便会涉及用户态/内核态的切换，增加系统消耗

核心是什么？是内核实现帮助我们实现了多核的分时复用的调度算法

在linux操作系统中，往往都是通过fork函数创建一个子进程来代表内核中的线程（用户线程陷入内核态其实就是在内核里面使用fork系统调用创建了一个子线程），在fork完一个子进程后，还需要将父进程中大部分的上下文信息复制到子进程中，消耗大量cpu时间用来初始化内存空间，产生大量冗余数据。为了避免上述情况，轻量级进程(Light Weight Process, LWP)便出现了，其使用clone系统调用创建子进程，过程中只将部分父进程数据进行复制，没有被复制的资源可以通过指针进行数据共享，这样一来LWP的运行单元更小、运行速度更快。当然这取决于线程模型是怎样的可以使用fork也可以使用clone。可参考此文：在linux操作系统中，往往都是通过fork函数创建一个子进程来代表内核中的线程，在fork完一个子进程后，还需要将父进程中大部分的上下文信息复制到子进程中，消耗大量cpu时间用来初始化内存空间，产生大量冗余数据。关于fork系统调用https://www.cnblogs.com/cccc2019fzs/p/13110431.html

java新起一个线程就是用的clone命令：关于java的线程和操作系统线程的关系：https://www.yuque.com/cdsnow/blog/hd1cz8

fork（进程）或者clone（线程）的过程中具体切换了什么内容呢？

一个进程的上下文可以分为三个部分：用户级上下文、寄存器上下文以及系统级上下文。

进程上下文是进程执行活动全过程的静态描述。我们把已执行过的进程指令和数据在相关寄存器与堆栈中的内容称为进程上文，把正在执行的指令和数据在寄存器与堆栈中的内容称为进程正文，把待执行的指令和数据在寄存器与堆栈中的内容称为进程下文。

用户级上下文：正文、数据、用户栈以及共享存储区；

寄存器上下文：程序寄存器(IP)，即CPU将执行的下条指令地址，处理机状态寄存器(EFLAGS)，栈指针，通用寄存器；

系统级上下文：进程表项(proc结构)和U区，在Linux中这两个部分被合成task_struct，区表及页表(mm_struct , vm_area_struct, pgd, pmd, pte等)，核心栈等。

全部的上下文信息组成了一个进程的运行环境。当发生进程调度时，必须对全部上下文信息进行切换，新调度的进程才能运行。进程就是上下文的集合的一个抽象概念。

一般进程切换分两步
1.切换页目录以使用新的地址空间
2.切换内核栈和硬件上下文。

对于linux来说，线程和进程的最大区别就在于地址空间。
对于线程切换，第1步是不需要做的，第2是进程和线程切换都要做的。所以明显是进程切换代价大

线程上下文切换和进程上下问切换一个最主要的区别是线程的切换虚拟内存空间依然是相同的，但是进程切换是不同的。这两种上下文切换的处理都是通过操作系统内核来完成的。内核的这种切换过程伴随的最显著的性能损耗是将寄存器中的内容切换出。

另外一个隐藏的损耗是上下文的切换会扰乱处理器的缓存机制。简单的说，一旦去切换上下文，处理器中所有已经缓存的内存地址一瞬间都作废了。还有一个显著的区别是当你改变虚拟内存空间的时候，处理的页表缓冲（processor’s Translation Lookaside Buffer (TLB)）或者相当的神马东西会被全部刷新，这将导致内存的访问在一段时间内相当的低效。但是在线程的切换中，不会出现这个问题。

在这里插入图片描述

什么时候产生上下文切换呢？

既然用户态的进程必须切换成内核态才能使用系统的资源，那么我们接下来就看看进程一共有多少种方式可以从用户态进入到内核态。

  1. 系统调用：用户态进程主动切换到内核态的方式，用户态主动申请操作系统提供的服务程序。比如，fork就是用户态要开辟新的进程，操作系统来帮忙实现。
  2. 异常：CPU执行用户态程序时，出现了异常，如缺页异常，就会触发进入内核态。
  3. 外围设备的中断（IO中断）：外围设备完成请求后，会向CPU发出中断信号，CPU会暂停执行下一条指令转而去执行与中断信号对应的操作。比如，硬盘读写完成，就会回到中断程序执行后续操作。

整体结构

接下来我们从内核空间和用户空间的角度看一看整个 Linux 系统的结构。它大体可以分为三个部分，从下往上依次为：硬件 -> 内核空间 -> 用户空间。如下图所示(此图来自互联网)：

在硬件之上，内核空间中的代码控制了硬件资源的使用权，用户空间中的代码只有通过内核暴露的系统调用接口(System Call Interface)才能使用到系统中的硬件资源。其实，不光是 Linux，Windows 操作系统的设计也是大同小异。

实际上我们可以将每个处理器在任何指定时间点上的活动概括为下列三者之一：

  • 运行于用户空间，执行用户进程。
  • 运行于内核空间，处于进程上下文，代表某个特定的进程执行。
  • 运行于内核空间，处于中断上下文，与任何进程无关，处理某个特定的中断。

以上三点几乎包括所有的情况，比如当 CPU 空闲时，内核就运行一个空进程，处于进程上下文，但运行在内核空间。
说明：Linux 系统的中断服务程序不在进程的上下文中执行，它们在一个与所有进程都无关的、专门的中断上下文中执行。之所以存在一个专门的执行环境，就是为了保证中断服务程序能够在第一时间响应和处理中断请求，然后快速地退出。

这段摘自：https://www.cnblogs.com/sparkdev/p/8410350.html

参考：https://blog.csdn.net/qq_42756396/article/details/108089158?utm_medium=distribute.pc_relevant.none-task-blog-baidujs_title-0&spm=1001.2101.3001.4242

https://blog.csdn.net/u013178472/article/details/81115080

https://www.cnblogs.com/cccc2019fzs/p/13110431.html

https://blog.csdn.net/vjhghjghj/article/details/105353550?utm_medium=distribute.pc_relevant.none-task-blog-2%7Edefault%7EOPENSEARCH%7Edefault-4.control&depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant.none-task-blog-2%7Edefault%7EOPENSEARCH%7Edefault-4.control

https://blog.csdn.net/weixin_39816946/article/details/110395042?utm_medium=distribute.pc_relevant.none-task-blog-baidujs_title-0&spm=1001.2101.3001.4242
https://blog.csdn.net/qq_42756396/article/details/108089158?utm_medium=distribute.pc_relevant.none-task-blog-baidujs_title-0&spm=1001.2101.3001.4242

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CPU

中断和上下文切换

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