操作系统：协程和上下文切换

最新推荐文章于 2025-02-10 19:49:47 发布
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本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/YJingLee/article/details/109335598
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本文探讨了程序执行的线程模型，重点介绍了同步执行序和异步执行序，并深入解析了协程的基本原理及其优缺点。通过对比上下文切换的不同类型，阐述了上下文切换对性能的影响，并提供了监控上下文切换的工具和建议，以减少不必要的性能损失。

摘要生成于 C知道 ，由 DeepSeek-R1 满血版支持， 前往体验 >

首先，我们明确一个观点：程序的用线程来执行的。

同步执行序

如上图用户线程执行的一段时间片，线程从起点 A 开始执行，执行用户代码到终点 B 结束，执行到 C 点需要执行系统调用，用户线程就会在 C 点阻塞，执行序进入系统内核状态，剩下的时间片在系统内核执行。

执行系统调用是操作系统内核的异步调用，系统内核的时间片是由操作系统提供的内部时间片。系统调用不使用剩下的时间片，在用户线程阻塞，剩下的用户线程的时间片被阻塞造成浪费，根据阻塞的方式有两种处理时间片流程，一种方式阻塞什么都不干，一种方式是向操作系统交还剩下时间片给其他程序或者线程执行，但是这两种方式对进程执行都会造成性能损失。

异步执行序

还有一种模式，当线程执行到 C 点执行系统调用被阻塞，异步执行系统调用，剩下来的时间片不交还，执行调度把这段时间片交给其他线程执行。当系统调用完成后利用select、epoll机制实现线程唤醒，唤醒后把系统调用结果返还线程。这样在同一个线程执行多个并发任务，这些并发任务在用户态完成，和操作系统无关。

例如调用open系统调用，重新实现openAsyn

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网络协程中的协程上下文切换和自定义协程栈内存
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谈谈Golang中goroutine的调度问题
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goroutine的调度问题，同样也是我之前面试的问题，不过这个问题我当时并不是很清楚，回来以后立马查阅资料，现整理出来备忘。 有一些预备知识需要说明，就是操作系统中的线程。操作系统中的线程分为两种：内核线程和用户线程。用户平时使用的线程并不是内核线程，而是存在于用户态的用户线程。用户线程并不一定在操作系统内核中对用同等数量的内核线程。这里有三个模型： 1.一对一模型(1:1) 2...
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原文地址：Goroutine调度时机-什么时候和什么情况下会发生调度？ Go调度器会在以下三种情况对goroutine进行调度： goroutine执行某个操作因条件不满足需要等待而发生的调度。 goroutine主动调用Gosched()让出CPU而发生的调度。 goroutine运行时间太长或长时间处于系统调用中，被调度器剥夺运行权而发生的调度。 本文主要通过下面这个例子来分析第一种情况，也就是因阻塞而发生的被动调度，其它两种情况会在之后的文章中详聊。 代码案例如下：
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Go语言死锁和阻塞
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阻塞：当一个goroutine等待一个未准备好的channel，或等待其他goroutine完成时，它会暂停，称之为阻塞。死锁：当多个goroutine相互等待，或者主程序和goroutine之间形成循环等待关系时，整个程序卡死，无法继续执行。Go在检测到程序死锁时会产生运行时恐慌（panic: all goroutines are asleep - deadlock）。
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红豆的编程空间
06-29 1924
当我们在go func{}下有如何代码的时候，Go是如何处理阻塞的？注：阻塞情况还有其它情况比如 加锁，网络连接读/写，select 我们需要知道在Go中代码的执行是需要线程（M）绑定 P 才能在CPU上执行如果不知道什么是GMP，可以先阅读【GMP】当我写下go func的时候，到底发生了什么？_程序员红豆的博客-优快云博客我们先理解什么是G、M、PG∶goroutine，一个计算任务。由需要执行的代码和其上下文组成，上下文包括∶当前代码位置，栈顶、栈底地址，状态等。M∶ machine，系统线程，执行
协程上下文切换
最新发布
04-18
<think>好的，用户想了解协程上下文切换的原理和实现方式。我需要结合之前的引用来组织回答。首先，协程是用户态的轻量级线程，调度由用户控制，这点引用[1]提到了，需要强调与线程的不同。然后上下文切换的原理，引用[4]提到保存和恢复寄存器，这部分是关键，得详细说明。可能需要解释CPU寄存器的保存过程，比如如何用结构体保存上下文，以及切换函数的作用。另外，引用[3]提到的swapcontext函数，可以作为一个例子来说明系统调用的使用，不过协程通常自己实现切换以避免内核开销。用户可能还想知道堆栈的处理，引用[2]里提到重定向堆栈地址和基址，需要解释为什么需要这样做，以及如何保证协程有自己的堆栈空间。还要提到切换的步骤：保存当前上下文、恢复目标上下文、跳转执行。最后，对比线程切换，强调协程的高效性。要确保回答结构清晰，分点说明，同时使用LaTeX公式和代码块来展示关键部分。检查是否有遗漏点，比如寄存器上下文的具体内容，切换函数的具体实现示例，以及可能的优化点。确保引用正确，比如引用[1]关于协程的定义，引用[4]的切换函数例子。需要避免技术错误，比如正确区分用户态和内核态切换，确保术语准确。</think>### 协程上下文切换的实现原理 协程的上下文切换是**用户态手动控制**的寄存器保存与恢复过程，其核心在于通过**保存当前执行环境**并**加载目标协程的执行环境**实现无缝切换。以下是具体实现原理的分步解析： --- #### 1. 上下文定义与存储 每个协程需要维护一个**上下文结构体**，保存关键的CPU寄存器值： ```c typedef struct { void *esp; // 堆栈指针 void *ebp; // 基址指针 void *eip; // 指令指针 void *rbx; // 通用寄存器 // 其他必要寄存器... } nty_cpu_ctx; ``` 这些寄存器定义了协程的执行状态[^4]。 --- #### 2. 切换核心步骤 上下文切换通过`_switch`函数实现，其汇编实现关键步骤为： ```assembly _switch: ; 保存当前协程上下文 mov [cur_ctx + 0], esp mov [cur_ctx + 4], ebp mov [cur_ctx + 8], eip ; 加载目标协程上下文 mov esp, [new_ctx + 0] mov ebp, [new_ctx + 4] jmp [new_ctx + 8] ; 跳转到目标指令地址 ``` 此过程**不涉及内核调度**，切换开销仅需约20ns[^4]。 --- #### 3. 堆栈管理原理 协程切换时需要**重定向堆栈地址**： - 每个协程拥有独立堆栈空间（通常预分配） - 切换时更新`esp`寄存器指向目标协程的堆栈基址 - 通过`func_ret_addr`设置协程函数退出后的回调地址[^2] --- #### 4. 执行流控制 - **初始跳转**：首次切换时通过`jmp`指令跳转到协程入口函数 - **中断恢复**：协程主动让出CPU时保存`eip`指向中断点代码位置 - **结束处理**：函数返回地址指向协程销毁处理函数[^2] --- ### 关键技术对比 | 特性 | 线程切换 | 协程切换 | |-------------|------------------------|------------------------| | 执行模式 | 内核态调度 | 用户态手动控制 | | 寄存器操作 | 完整上下文保存 | 选择性寄存器保存 | | 开销来源 | 内核模式切换+内存拷贝 | 寄存器操作（<100ns） | | 堆栈大小 | 固定(MB级) | 动态调整(KB级) | --- ### 实现示例（x86架构） ```c // 上下文切换函数 __asm__ ( ".globl _switch\n" "_switch:\n" "mov 4(%esp), %ecx\n" // 加载新上下文地址 "mov 8(%esp), %edx\n" // 加载旧上下文地址 // 保存当前寄存器 "mov %esp, 0(%edx)\n" "mov %ebp, 4(%edx)\n" "mov %eip, 8(%edx)\n" // 加载新寄存器 "mov 0(%ecx), %esp\n" "mov 4(%ecx), %ebp\n" "jmp *8(%ecx)\n" ); ``` --- ### 性能优化要点 1. **寄存器选择**：仅保存被调用者保存寄存器（Callee-saved registers） 2. **堆栈复用**：使用分片式堆栈减少内存分配开销 3. **批量切换**：合并多个协程的切换请求 4. **缓存预热**：预加载目标协程的指令缓存[^1] ---
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