CPU眼里的上下文Context

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“上下文是什么？用抽象去解释抽象，往往让人晕头转向‍”

01

提出问题

线程切换、或任务切换是一个老生常谈的话题，拥有着旺盛的生命力。因为它是操作系统的核心，是软件和CPU硬件的完美结合体。当然，也正是因为有 CPU 这层硬件阻隔，让我们很难看清：线程切换的庐山真面目。

02

代码实验

阿布找到了一块“透明”的单核、没有cache的CPU和内存，希望能帮你一窥其中的奥秘，如图所示：

方便起见，假设：线程Thread 1的代码、数据、堆栈，被操作系统分配在上边的内存颗粒上；线程Thread 2的代码、数据、堆栈，被分配在下边的内存颗粒上；中间的内存颗粒，则存放着操作系统内核的代码、数据。当然，内核不是我们今天讨论的重点。

好，系统开机，一切从内核开始，先创建两个线程的初始上下文（也就是初始的CPU寄存器信息），并存入到相应的内存颗粒上，如图所示：

经过内核的线程调度，决定线程Thread1运行，也就是用线程 Thread1 的上下文，来设置 CPU 寄存器，其中eip寄存器让CPU跳转到函数 Thread1上运行，如图所示：

线程Thread 1 的代码非常简单，就是作一次加法运算。考虑到我们的重点是CPU操作，所以只关心下面的汇编指令部分。

先运行前3条CPU指令，如图所示：

其中头2条指令是设置函数“栈帧”，也就是设置CPU寄存器 ebp、esp的值。具体意图，可以参看上篇文章“CPU眼里的{函数括号}”；第3条mov指令，则是将变量 a 的值：1，存入寄存器 eax。

此时，发生时钟中断，CPU跳转到内核代码，内核将当前的CPU上下文，也就是线程 1 的上下文，保存到线程 1 所在的内存颗粒上，如图所示：

这次，调度器决定让线程Thread 2运行，同样，也就是用线程Thread 2 的上下文，来设置 CPU 寄存器，如图所示：

其中 eip 寄存器让CPU跳转到函数Thread 2上运行，线程Thread 2是一个空函数，但依然对应了4条CPU指令。先运行第一条 push 指令，如图所示：

如你所见，它会改变CPU寄存器esp的值。这时，再次发生时钟中断，CPU再次跳转到内核代码。内核又将当前的CPU上下文，也就是线程Thread 2 的上下文，保存到线程Thread 2所在的内存颗粒上，如图所示：

这次，调度器决定让线程Thread 1继续运行，还是老办法，通过用线程Thread 1的上下文，来设置 CPU 寄存器，如图所示：

这样，eip寄存器让我们再次回到了：函数刚刚被打断的地方；寄存器 eax ，也恢复到：获得变量a的值（1）的状态。万事俱备，线程Thread 1又可以继续运行了，就好像Thread 1从未被打断、休眠一样。

好了，到这里，一个完整的上下文保存、恢复和切换的过程就完成了！如你所见，保存和恢复上下文，不过是在保存和恢复CPU的寄存器。

当然，根据被打断的程序主体和时机的不同，还会把上下文细分成：线程上下文、进程上下文、中断上下文。名称虽多，但它们都是：一样的配方、一样的味道。

03

总结

1. 简单的说：上下文，就是CPU当前的寄存器信息。保存、恢复上下文的过程，就像是保存和恢复一个人的记忆；通过恢复CPU过去的记忆，让CPU回到过去的状态。

2. 除了中断、任务调度会强行保存、恢复：上下文；程序也可以主动保存上下文。例如：通过调用：sleep、mutex、semaphore主动放弃线程或进程的运行机会，迫使操作系统保存上下文。

3. 不同线程的代码、数据、堆栈也可以放在同一个内存颗粒上，一般来说，不同线程的代码、数据，是不会被混淆的。当然为了安全，也可以进程的形式运行，因为MMU可以实现进程间，在内存空间上的隔离。

最后，实际情况下，程序用到的寄存器不止我们提到的4个，需要对更多的寄存器进行保存和恢复工作。不同的操作系统、CPU在实现上下文上面，也会有所差异。

04

热点问题

Q1：如果有多个线程的情况，是不是需要多个CPU寄存器？

A1：不是的。CPU寄存器是CPU的固有硬件，一个CPU核心只有一套CPU寄存器。如你所见，在本文的实例中，有2个线程，但CPU只有1个，对应的CPU寄存器也只有一套。

但因为每个线程的运行状况，往往是不同的，所以它们的上下文也往往是不同的。因此每个线程，都需要保存各自运行时的上下文。

通常，操作系统会把上下文保存在每个线程、进程的任务控制块TCB中。

Q2：多核的CPU，是不是意味着有多套寄存器？

A2：是的。每一个CPU对应着一套寄存器，多个（多核）CPU就对应着多套寄存器。由于每个CPU都可以独立运行，所以可以有效提高整个系统的运行效率。特别是在单个CPU核心频率很难提升的情况，多核CPU是一个不错的解决方案。

但在处理线程、任务、进程切换时，多核操作系统需要考虑的事情也就更多，实现上也会复杂一些。