什么是上下文切换？代价在哪里？

一、上下文切换的定义

上下文切换(Context Switching)是指操作系统在多个进程或线程之间切换执行时，保存当前任务状态并恢复下一个任务状态的过程。这种机制使得单个CPU能够通过时间片轮转的方式"同时"运行多个任务。

核心本质：上下文切换是并发编程的基础支撑机制，但也是多任务系统最主要的性能开销来源之一。

二、上下文切换的触发场景

2.1 主动切换

• 系统调用：当进程执行read/write等阻塞式系统调用时
• 主动让出：调用sched_yield()等主动放弃CPU的函数
• 锁等待：线程尝试获取已被占用的互斥锁(mutex)

2.2 被动切换

• 时间片耗尽：CPU时间片用完被强制调度
• 中断处理：硬件中断触发更高优先级任务
• 抢占式调度：更高优先级任务就绪

三、上下文切换的技术实现

3.1 进程上下文切换

涉及完整的进程控制块(PCB)保存/恢复：

1. 用户级上下文（程序计数器、栈指针等）
2. 寄存器上下文（通用寄存器、浮点寄存器）
3. 系统级上下文（页表、文件描述符表等）

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