Linux上下文切换：模式切换真的比进程内切换更快吗？

深入理解 Linux 上下文切换：模式切换真的比进程内切换更快吗？

在 Linux 系统中，为了让多个任务能够"同时"运行，CPU 资源会在不同进程之间快速切换，这就是我们常说的上下文切换。这种机制看似神奇，其实就是操作系统在幕后进行的一系列 CPU 状态保存和恢复操作。虽然上下文切换为多任务处理提供了基础，但也带来了一定的性能开销。

开发者们经常需要面对两种类型的上下文切换：模式切换和进程内上下文切换。普遍的观点认为，相比于进程内上下文切换，模式切换的开销更小，速度更快。然而，事实真的如此吗？本文将带你深入探讨 Linux 上下文切换的内部机制，并分析两种切换方式在开销上的差异，为你揭开这一常见认知背后的真相。

上下文切换：CPU 状态的"乾坤大挪移"

无论哪种类型的上下文切换，其核心都是对 CPU 状态进行保存和恢复。CPU 状态就像一个“快照”，记录了当前正在运行的程序的关键信息，包括程序计数器、寄存器值、堆栈指针等等。

当发生上下文切换时，操作系统就像一位经验丰富的“魔术师”，它会将当前线程的 CPU 状态“封印”起来，然后“召唤”出下一个待执行线程的 CPU 状态，将其“加载”到 CPU 中，从而实现不同线程之间的切换。

模式切换：用户态与内核态的“穿梭”

想象一下，当你正在使用浏览器浏览网页时，突然需要从网络上下载一个文件。这时，浏览器就需要请求操作系统提供的网络服务。为了满足你的需求，CPU 需要从用户态切换到内核态，就像从一个房间走进了另一个房间，以便执行内核代码来处理网络请求。

在模式切换过程中，操作系统会将当前用户程序的 CPU 状态保存在内核栈中，并将 CPU 的控制权移交给内核态。完成内核操作后，操作系统会再次“施展魔法”，将之前保存的用户程序 CPU 状态从内核栈中恢复，将 CPU 切换回用户态，继续执行你的浏览器程序。

进程内上下文切换：线程间的“接力赛”

在一个进程内部，多个线程就像一支接力赛队伍，每个线程执行一段时间后，会将 CPU 的“接力棒”传递给下一个线程。这种线程之间的切换，就是进程内上下文切换。

与模式切换类似，进程内上下文切换也需要保存和恢复 CPU 状态。但由于线程共享同一个地址空间，就像队员们共用同一个赛道，因此进程内上下文切换不需要切换页表等地址空间相关的信息。

开销差异：并非简单的“数字游戏”

从 CPU 状态的保存和恢复操作来看，模式切换和进程内上下文切换似乎并没有本质区别，那为什么普遍认为模式切换的开销更小呢？

1. "行李"的多少：

模式切换和进程内上下文切换就像两场不同的旅行，需要携带的“行李”多少不一。模式切换只需要保存和恢复通用寄存器和程序计数器等少量信息，就像短途旅行只需要一个背包。而进程内上下文切换还需要保存和恢复线程局部存储（TLS）等额外信息，就像长途旅行需要携带更多行李，自然开销更大。

2. “高速缓存”的威力：

模式切换通常发生在系统调用等频繁的操作中，就像经常走的路线，沿途的风景更容易被记住。而进程内上下文切换的频率相对较低，就像偶尔才去一次的地方，需要重新熟悉路线。这意味着模式切换后的代码和数据更有可能仍然驻留在 CPU 缓存中，CPU 不需要花费额外的时间从内存中读取数据，从而减少了内存访问的开销。

3. “地图切换”的代价：

进程间上下文切换还需要进行页表的切换，就像从一个城市到另一个城市需要更换地图。页表记录了虚拟地址和物理地址之间的映射关系，切换页表需要更新 CPU 中的内存管理单元 (MMU)，这会带来额外的开销。而模式切换和进程内上下文切换则不需要进行页表切换，因为它们都在同一个地址空间内进行，就像在同一个城市内活动，不需要更换地图。

模式切换的“轻装上阵”：速度优势的由来

通过上面的分析，我们可以看到，虽然模式切换和进程内上下文切换都需要保存和恢复 CPU 状态，但模式切换由于保存内容更少、缓存命中率更高以及无需进行页表切换，因此在开销上更具优势，就像轻装上阵的旅行者，自然能够更快到达目的地。

常见问题解答：

1. 什么是用户态和内核态？

   在操作系统中，CPU 运行的模式分为用户态和内核态。用户态是应用程序运行的模式，权限较低，只能访问有限的资源。内核态是操作系统内核运行的模式，权限较高，可以访问所有硬件资源。

2. 什么是系统调用？

   系统调用是用户程序请求操作系统内核提供服务的接口。当用户程序需要访问硬件资源或执行特权指令时，就需要通过系统调用来实现。

3. 什么是线程局部存储（TLS）？

   线程局部存储是每个线程私有的数据存储区域，其他线程无法访问。它可以用来存储线程私有的变量或数据结构。

4. 什么是 CPU 缓存？

   CPU 缓存是位于 CPU 和内存之间的高速存储器，用于缓存 frequently accessed 的数据和指令，以提高程序的执行速度。

5. 什么是页表？

   页表是操作系统用来管理虚拟内存和物理内存之间映射关系的数据结构。每个进程都有自己的页表，用于将虚拟地址转换成物理地址。