操作系统在进行线程切换时需要进行哪些动作

操作系统在进行**线程切换（thread context switch）**时，需要保存当前线程的上下文，并恢复目标线程的上下文。这是操作系统调度器的一部分，涉及用户态与内核态之间的协作。

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一、线程切换的本质

线程切换 = 上下文切换（Context Switch）的一种

包括：

• 当前线程上下文保存（寄存器、程序计数器等）
• 调度器选择下一个线程
• 恢复目标线程的上下文并运行

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二、线程切换与进程切换的区别

项目	线程切换	进程切换
地址空间	相同（共享）	发生变化（重新切换内存映射）
开销	较小	较大（切换页表等）
CPU 寄存器	要保存	要保存
调度器参与	是	是
常见场景	多线程协作	多进程并发

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三、线程切换时系统做了什么（关键步骤）

1. 触发线程切换（中断/系统调用/调度）

   • 常见触发场景：

     • 时间片用尽
     • 主动让出（pthread_yield / sleep)
     • 阻塞（I/O、锁）
     • 高优先级线程唤醒

2. 陷入内核态

   • 中断或系统调用进入内核态
   • CPU 执行内核代码：线程调度器（Scheduler）

3. 保存当前线程上下文

   • CPU 寄存器（PC、SP、通用寄存器）
   • 栈指针（线程私有）
   • 调度器把这些状态保存到 TCB（Thread Control Block）

4. 更新线程状态

   • 当前线程标记为 READY / BLOCKED 等
   • 目标线程标记为 RUNNING

5. 选择下一个要运行的线程

   • 调度策略（如时间片轮转、优先级调度、CFS）
   • 找到最合适的线程

6. 加载目标线程上下文

   • 从 TCB 中恢复寄存器、PC、栈等状态

7. 返回用户态执行新线程

   • CPU 跳转到新线程的下一条指令

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四、涉及的关键结构

结构体/概念	说明
PCB/TCB	进程控制块 / 线程控制块：保存上下文、状态等信息
CPU 寄存器	包括 PC、SP、通用寄存器
内核栈	每个线程有独立的内核栈
调度器（Scheduler）	内核模块，用于选择哪个线程运行

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五、可视化图解

[当前线程]
  ↓ 触发切换（时间片用尽）
  ↓ 保存上下文（寄存器 → TCB）
  ↓ 调度器选择下一个线程
  ↓ 恢复新线程上下文（TCB → 寄存器）
  ↓ CPU 开始执行新线程

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六、性能开销

操作	说明
用户态线程切换	开销较小（如协程）
内核态线程切换	需陷入内核，性能开销大
进程切换	额外切换内存空间，开销更大

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七、举例说明（Linux）

在 Linux 中，schedule() 是核心线程调度函数。

切换线程过程大致如下：

void context_switch(struct task_struct *prev, struct task_struct *next) {
    // 保存 prev 的 CPU 上下文
    switch_to(prev, next);
    // 恢复 next 的上下文并运行
}

Linux 使用 task_struct 作为进程/线程控制块。

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八、相关命令与工具

• top, htop：查看线程状态
• perf、strace：分析切换频率与延迟
• vmstat：查看上下文切换速率（字段 cs）

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九、总结表

步骤	操作内容
1. 触发切换	中断、系统调用、主动让出、阻塞
2. 保存上下文	保存寄存器、程序计数器、栈指针等
3. 调度线程	根据策略选中下一个线程
4. 恢复上下文	从 TCB 恢复 CPU 状态
5. 切换完成	CPU 执行新线程

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