深入理解Linux系统进程切换-优快云博客

static __always_inline struct rq *
context_switch(struct rq *rq, struct task_struct *prev,
           struct task_struct *next, struct rq_flags *rf)
{
    struct mm_struct *mm, *oldmm;
    
    prepare_task_switch(rq, prev, next);
    
    mm = next->mm;
    oldmm = prev->active_mm;
    
    // 地址空间切换
    if (!mm) {
        next->active_mm = oldmm;
        mmgrab(oldmm);
        enter_lazy_tlb(oldmm, next);
    } else
        switch_mm_irqs_off(oldmm, mm, next);
    
    // 切换寄存器状态和栈
    switch_to(prev, next, prev);
    
    return finish_task_switch(prev);
}

关键组成部分：

1. switch_mm()：处理内存管理单元(MMU)相关的切换

2. switch_to()：架构相关的寄存器切换（通常用汇编实现）

3. TLB处理：处理转换后备缓冲区的刷新

五、x86架构下的进程切换

在x86架构中，switch_to宏最终会展开为类似以下的汇编代码：

movq %rsp, TASK_threadsp(%rdi)  # 保存旧进程的栈指针
movq TASK_threadsp(%rsi), %rsp  # 加载新进程的栈指针

# 保存和恢复其他寄存器
pushq %rbp
pushq %rbx
pushq %r12
pushq %r13
pushq %r14
pushq %r15

movq %rsp, TASK_threadsp(%rdi)
movq TASK_threadsp(%rsi), %rsp

popq %r15
popq %r14
popq %r13
popq %r12
popq %rbx
popq %rbp

六、进程切换的性能开销

进程切换不是免费的，主要开销来自：

1. 直接开销：

保存/恢复寄存器
TLB刷新导致的缓存失效
调度器决策时间

2. 间接开销：

缓存污染（新进程使用不同内存区域）
分支预测器需要重新学习

优化方法：

减少不必要的切换（调整调度器参数）
使用线程代替进程（共享地址空间）
考虑CPU亲和性（减少缓存失效）

七、进程切换 vs 线程切换

特性	进程切换	线程切换
地址空间	需要切换	不需要切换
资源开销	高	低
TLB影响	需要刷新	通常不需要刷新
IPC	需要显式机制	可通过共享内存

八、实际观察进程切换

可以使用Linux工具观察进程切换：

1、vmstat：查看系统范围的上下文切换次数

vmstat 1

2、pidstat：查看特定进程的上下文切换

pidstat -w 1

3、perf：性能分析

perf stat -e context-switches,cpu-migrations <command>

总结：

进程切换是Linux多任务能力的基石，理解其机制有助于：

• 编写更高效的系统级代码

• 进行系统性能调优

• 深入理解操作系统原理

• 调试复杂的并发问题

虽然现代处理器和Linux内核已经对进程切换做了大量优化，但在高性能场景下，减少不必要的上下文切换仍然是提升性能的重要手段。