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上下文切换机制 ​

2026 大纲 二（二）6 上下文及其切换机制。条目是"上下文及其切换机制"——上下文本身是什么与怎么切换是两个并列的要求。

换人这个动作，具体要搬哪些东西 ​

调度那几节回答的是"下一个选谁"。选完之后还有一步没做：怎么换过去。

这一步看着机械，其实有个绕不开的问题：换人时到底要保存什么？

保存太多是白费力气（很多东西根本没变），保存太少则恢复不回来。 判据只有一句：这个东西会不会被下一个进程改掉，改掉之后原进程还能不能接着跑。

按这条判据，进程上下文分成三层，但只有寄存器上下文必须真正搬动—— 另外两层（内存管理信息、进程控制信息）只需要换指针，因为它们本来就分别存着。

⚠️ 现场必须存进 PCB，不能存在进程自己的栈里。理由有两条： 一是会撞上"要恢复栈指针，得先知道栈指针在哪"的循环依赖； 二是进程被换出到外存后，OS 就再也够不着它自己的那块空间了。

还有一处分工要分清：头尾两步由硬件做（中断隐指令保存 PC 与 PSW、 中断返回指令恢复它们），中间全是软件。判据和 中断和异常的处理那条一样—— 改了它就没法继续执行的东西，必须由硬件原子处理。

最后是开销。它分直接（搬寄存器）与间接（TLB、Cache 冷启动）两块， 而间接那块通常大得多——这也解释了为什么同进程的线程切换便宜： 不换地址空间，最大的那块间接开销整块消失。

一、进程上下文的三层结构 ​

层次包含什么存放在哪里切换时怎么处理
① 用户级上下文程序块（可执行的机器指令序列）、数据块（进程可访问的信息）、共享主存区（进程通信用）、用户栈（函数调用信息）占用进程的虚存空间不搬动，只需切换地址映射（换页表基址寄存器），让 CPU"看到"另一套虚存空间
② 寄存器上下文处理器状态寄存器 PSW、指令计数器 PC、栈指针 SP、通用寄存器CPU 内部必须逐个搬进 PCB，因为 CPU 里只有一套，新进程要用
③ 系统级上下文PCB、主存管理信息（页表或段表）、核心栈（进程在内核运行时的工作区）等 OS 管理进程所需的信息内核空间大部分不搬动，只需把指针换成新进程的

最后一列解释了开销的来源：切换的直接开销 = 搬一套寄存器 + 换几个指针，量并不大；真正贵的是换指针之后的连锁反应（TLB 与 Cache 全部失效），见 §四。PCB 的组织见 进程的组织与控制。

二、切换过程：哪一步是硬件做的 ​

第②步必须由硬件做：中断隐指令不是一条真正的机器指令，而是 CPU 在响应中断时自动执行的一串硬件动作，程序员写不出来也拦不住——软件要执行任何指令都会改写 PC 和 PSW，等软件跑起来时原值早没了。详见 中断和异常的处理。第③步交给软件是因为通用寄存器数量多、哪些需要保存与具体实现有关。

三、切换的时机 ​

触发原因属于哪类调度时机抢占式才有？
进程终止当前进程不能继续占 CPU否
进程阻塞（发出 I/O 请求、执行 Block 原语）当前进程不能继续占 CPU否
时间片用完（时钟中断）规则不许它继续占是
被更高优先级进程抢占出现了更该占 CPU 的是

与调度的时机完全对应——调度决定"要不要换人"，上下文切换是"换人"这个决定的执行。

四、切换开销：两块性质完全不同的东西 ​

直接开销间接开销
是什么执行切换代码本身所花的时间切换完成之后，新进程因缓存冷启动而变慢的那部分损失
具体包含保存/恢复寄存器上下文（约上千条指令）、更新 PCB、进出队列、切换页表基址寄存器与核心栈指针TLB 冷启动（旧进程的表项全部作废，新进程要经历一段 TLB 缺失密集期）、Cache 冷启动（Cache 里全是旧进程的数据，新进程一开始几乎必然未命中）
发生在何时切换的那一瞬间切换后的一段时间内，逐渐衰减
能不能直接测能（测切换函数的执行时间）不能直接测，只能通过对比稳态性能折算
谁更大通常更小通常大得多
用一组数算出"忽略间接开销会把时间片下限估小五倍"（想量化总开销怎么反推时间片时展开）

设实测直接开销 δd=2 μs，把 TLB 与 Cache 冷启动造成的额外损失折算为 δi=8 μs。

第一步：求总开销。 利用率公式里 δ 的含义是"每一个时间片要额外付出的、不产出计算的时间"；冷启动期间新进程虽然在跑，但跑得比稳态慢，慢出来的那部分等价于没在算，所以折算后可并入 δ：

δ=δd+δi=2+8=10 μs

第二步：q=10 ms =10000 μs。

完整口径： 1000010000+10=99.90%,只算直接开销： 1000010000+2=99.98%

高估 0.08 个百分点——时间片很大时间接开销被稀释了。

第三步：q=100 μs。

完整口径： 100100+10=90.91%,只算直接开销： 100100+2=98.04%

高估 7.13 个百分点。δ 与 q 的比值决定误差，q 缩小 100 倍，误差放大近 90 倍——时间片越小，忽略间接开销的误差越大。

第四步：反推时间片下限。

qq+10 ≥ 0.99 ⟹ 0.01q≥9.9 ⟹ q≥990 μs≈1 ms

只用 δd=2 μs 反推会得到 q≥198 μs，只有真实要求的五分之一；按它设时间片，实际利用率会掉到 98% 左右。δ 里真正说了算的往往是看不见的那一半——这也解释了处理器亲和性为什么值得专门设计，它保护的正是这块间接开销。

考点速记 ​

  1. 进程上下文分三层，切换时只有寄存器上下文必须真正搬动，另外两层只换指针。
  2. ⚠️现场必须存进 PCB：一是会撞上"恢复栈指针得先知道栈指针"的循环依赖，二是进程换出外存后 OS 就够不着它自己的空间了。
  3. 切换过程头尾两步由硬件（中断隐指令保存 PC/PSW、中断返回指令恢复），中间全是软件。判据：改了它就没法继续执行的东西必须由硬件原子处理。
  4. ⚠️发生调度不一定发生切换，发生切换必然先发生了调度（选中的还是原来那个进程时就不切换）。
  5. 开销分直接与间接两块：直接是搬寄存器，间接是 TLB / Cache 冷启动，⚠️间接那块通常大得多。δ=δd+δi 决定时间片的下限。
  6. ⚠️同进程内的线程切换便宜，只因不换地址空间——页表基址寄存器不动、TLB 不失效，最大的那块间接开销整块消失。
  7. ⚠️页式虚存下切换时要换的：通用寄存器（各进程的计算现场不同）、程序计数器（各进程执行到哪不同）、页表基址寄存器（各进程页表不同）。不需要换的是内核中断向量表基址寄存器——中断向量表全系统只有一份，跟哪个进程在跑毫无关系。

这一节在真题里被考过的形式：

只出过一道题，但它把"什么要换、什么不要换"这条判据考得很干净。

  • 问页式虚存系统发生上下文切换时不需要保存或切换的是什么（2025-23）。答内核中断向量表基址寄存器。⚠️ 判据是速记第七条——问"这个东西是不是每个进程各有一份"：通用寄存器、程序计数器显然各进程不同；页表基址寄存器也是（每个进程一张页表）；而中断向量表是全系统唯一的，换谁上来它都指向同一张表，自然不用动。
  • 另有两处会作为背景出现：发生调度不一定发生切换（速记第四条，在调度的基本概念也提过）；线程切换比进程切换便宜的原因（速记第六条，在线程已考过）。

复习优先级：必须拿满，判据只有一句——问"这个东西是不是每个进程各有一份"。 是的就要换，全系统共用的就不用。速记第三条（头尾硬件、中间软件）与 中断和异常的处理是同一条判据的第二次应用。 第五条那个直接/间接开销的划分在时间片轮转算 q 的下限时用得上。

易错：认为中断向量表基址寄存器也要随进程切换。中断向量表全系统只有一份，与进程无关。

易错：认为页表基址寄存器不用换。每个进程一张页表，必须换。

易错：把现场存在进程自己的栈里。必须存进 PCB——否则"恢复 SP 得先知道 SP"是死循环。

易错：认为切换开销主要是搬寄存器。间接开销（TLB / Cache 冷启动）通常大得多。

易错：认为发生调度就一定发生切换。选中的还是原进程时不切换。

教材出处
  • 孙钟秀、费翔林《操作系统教程》第 6 版 2.3.2 进程上下文（进程上下文的定义与用户级/寄存器/系统级三层划分及各层的具体内容），印刷 p58
  • 汤小丹《计算机操作系统》3.3.1 进程调度的任务、机制和方式（进程调度三项任务、上下文切换器与"两对上下文切换"的口径、"每一次上下文切换所花时间大约可执行上千条指令"、用两组寄存器减少切换时间的硬件办法），印刷 p91–p92

相关知识 ​

多处理机调度｜调度的基本概念与目标｜线程｜中断和异常的处理｜同步与互斥基本概念

真题练习 ​

相关真题（3题）

2025Q232分2024Q252分2012Q232分

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