Kontekstin vaihto
Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 31. tammikuuta 2019 tarkistetusta
versiosta . tarkastukset vaativat
7 muokkausta .
Kontekstin vaihto ( englanniksi kontekstikytkin ) - moniajokäyttöjärjestelmässä ja -ympäristöissä - prosessi, jossa prosessori lopettaa yhden tehtävän (prosessin, säikeen, säikeen) suorittamisen samalla kun tallennetaan kaikki tarvittavat tiedot ja tila, joita tarvitaan myöhempää jatkamista varten keskeytetystä paikasta ja palauttaa ja ladata prosessorin suorittaman tehtävän tilan.
Kontekstin vaihtoproseduuri sisältää ns. tehtävien ajoituksen - prosessin, jossa päätetään, mille tehtävälle ohjaus siirretään.
Kuvaus
Kontekstikytkin tallentaa ja palauttaa seuraavat tiedot:
- Yleiskäyttöisten rekisterien rekisterikonteksti (mukaan lukien lippurekisteri )
- Liukuluku/ MMX- rekisterin tilakonteksti ( x86 )
- SSE - rekisterin tila , AVX ( x86 )
- Segmenttien rekisterin tila (x86)
- Joidenkin ohjausrekisterien tila (esimerkiksi hakuprosessimuistista vastaava CR3-rekisteri) (x86)
OS - ytimessä seuraavat rakenteet liitetään kuhunkin säikeeseen:
- Yleistä tietoa pid, tid, uid, gid, euid, egid jne.
- Prosessin/säikeen tila
- Käyttöoikeudet
- Langan käyttämät resurssit ja lukot
- Resurssien käyttölaskurit (esim. käytetyt suorittimen ajastimet)
- Prosessille varatut muistialueet
Kontekstin vaihto ja suorituskyky
Lisäksi, mikä on erittäin tärkeää, seuraavat ohjelmiston kannalta näkymätön laitteistotoiminnot, jotka vaikuttavat suorituskykyyn, tapahtuvat kontekstin vaihdon aikana:
- Prosessorin käskyputkisto ja tiedot tyhjennetään
- TLB on tyhjennetty , joka vastaa lineaaristen osoitteiden sivuttamisesta fyysisiin osoitteisiin.
Lisäksi on otettava huomioon seuraavat seikat, jotka vaikuttavat järjestelmän tilaan:
- Välimuistin (erityisesti ensimmäisen tason välimuistin) sisältö , joka on kertynyt ja "optimoitu" yhden säikeen suorittamiseen, osoittautuu täysin soveltumattomaksi uuteen säikeeseen, johon vaihdetaan.
- Kun konteksti vaihtuu prosessiin, jota ei ole käytetty pitkään aikaan (katso sivutus ), monet sivut eivät välttämättä ole fyysisesti käytettävissä päämuistissa, jolloin vaihdetut sivut ladataan toissijaisesta muistista.
Kontekstin vaihto ja käyttöjärjestelmä
Sovelluskerroksen näkökulmasta kontekstin vaihto voidaan jakaa vapaaehtoiseen (vapaaehtoiseen) ja pakotettuun (ei-vapaaehtoiseen): käynnissä oleva prosessi/säie voi itse siirtää ohjauksen toiselle säikeelle tai ydin voi väkisin ottaa ohjauksen pois. se.
- OS-ydin voi ottaa ohjauksen käynnissä olevasta prosessista/säikeestä, kun aikakvantti umpeutuu. Ohjelmoijan näkökulmasta tämä tarkoittaa, että ohjaus voisi paeta säiettä "pahimmalla" hetkellä, jolloin tietorakenteet saattavat olla epäjohdonmukaisessa tilassa, koska niiden muutos ei ole valmis.
- Suorita estojärjestelmäkutsu . _ Kun sovellus suorittaa I/O:n, ydin voi päättää, että se voi luovuttaa hallinnan toiselle säikeelle/prosessille odottaessaan kyseisen säikeen pyytämän levyn tai verkon I/O:n valmistumista. Tämä vaihtoehto on tuottavin.
- Ytimen synkronoinnin primitiivit. Mutexes , semaforit jne. Tämä on suurin suorituskykyongelmien lähde. Riittämättömästi harkittu työskentely synkronointiprimitiivien kanssa voi johtaa kymmeniin tuhansiin ja erityisen huomiotta jätetyissä tapauksissa satoihin tuhansiin kontekstin vaihtoihin sekunnissa.
- Järjestelmäkutsu, joka odottaa eksplisiittisesti tapahtuman (valitse, kysely, epoll, tauko, odota...) tai ajankohtaa (nukkuminen, nanosleep, ...) tapahtumista. Tämä vaihtoehto on suhteellisen tuottava, koska käyttöjärjestelmän ytimessä on tietoa odotusprosesseista.
Aikataulun ominaisuudet
Ero reaaliaikaisten ja aikajakoisten käyttöjärjestelmien välillä näkyy selkeimmin kontekstikytkimien ajoituslogiikan erossa : Aikajakojärjestelmän ajoitus yrittää maksimoida koko järjestelmän suorituskyvyn, mahdollisesti järjestelmän suorituskyvyn kustannuksella. yksittäisiä prosesseja. Reaaliaikaisen järjestelmän ajoittajan tehtävänä on varmistaa, että yksittäiset kriittiset prosessit toimivat etusijalla riippumatta siitä, kuinka raskasta koko järjestelmän kokonaiskustannukset ovat.
Kontekstin vaihtamisen toteutukset nykyaikaisissa käyttöjärjestelmissä
Kuten yllä olevasta voidaan nähdä, kontekstin vaihto on erittäin resurssiintensiivinen toimenpide, ja mitä "upeampi" prosessori on, sitä resurssiintensiivisempi tämä operaatio tulee. Tämän perusteella ydin käyttää useita strategioita ensinnäkin vähentääkseen kontekstin vaihtojen määrää ja toiseksi tehdäkseen kontekstin vaihdosta vähemmän resurssiintensiivisen.
Menetelmät kontekstikytkimien määrän vähentämiseksi:
- On mahdollista konfiguroida säikeelle varattu prosessorin aikakvantti. Kun rakennetaan Linux-ydintä, on mahdollista määrittää Palvelin/Työpöytä/Low-Latency Desktop. Palvelinkokoonpanoissa tämä määrä on suurempi.
Menetelmiä kontekstin vaihtamisen resurssiintensiivisyyden vähentämiseksi:
- Kun kontekstia vaihdetaan saman osoiteavaruuden jakavien säikeiden välillä samassa prosessissa, ydin ei kosketa CR3-rekisteriä, mikä säästää TLB :tä.
- Monissa tapauksissa ydin sijaitsee samassa osoiteavaruudessa kuin käyttäjäprosessi. Kun kontekstin vaihto käyttäjätilan ja kernel-tilan välillä (ja päinvastoin) tapahtuu esimerkiksi järjestelmäkutsuja suoritettaessa, ydin ei kosketa CR3-rekisteriä ja säästää siten TLB :n.
- Aikataulutessaan ydin yrittää minimoida prosessin liikkeen SMP -järjestelmän prosessointiytimien välillä , mikä parantaa L2-välimuistin tehokkuutta.
- Varsinainen liukulukuprosessorin ja MMX/SSE-kontekstirekisterien kontekstin tallennus/palautus tapahtuu uuden säikeen ensimmäisellä käyttökerralla, mikä on optimoitu tapaukseen, jossa useimmat säikeet suorittavat vain toimintoja yleiskäyttöisten rekistereiden kanssa.
Yllä olevat esimerkit viittaavat Linux-ytimeen , mutta myös muut käyttöjärjestelmät käyttävät samanlaisia menetelmiä, vaikka omistettujen käyttöjärjestelmien tapauksessa on ongelmallista todistaa/kiistää tämän käyttö.
Terminologiahuomautuksia
Linkit