上下文切换（以下简称CS）的定义，Context Switch definition 此文中已做了详细的说明，这里我又偷懒不详细解释了：） 只提炼以下几个关键要点：
*） context（这里我觉得叫process context更合适）是指CPU寄存器和程序计数器在任何时间点的内容
*）CS可以描述为kernel执行下面的操作
1. 挂起一个进程，并储存该进程当时在内存中所反映出的状态
2. 从内存中恢复下一个要执行的进程，恢复该进程原来的状态到寄存器，返回到其上次暂停的执行代码然后继续执行
*）CS只能发生在内核态(kernel mode)
*）system call会陷入内核态，是user mode => kernel mode的过程，我们称之为mode switch，但不表明会发生CS（其实mode switch同样也会做很多和CS一样的流程，例如通过寄存器传递user mode 和 kernel mode之间的一些参数）
*）一个硬件中断的产生，也可能导致kernel收到signal后进行CS
什么样的操作可能会引起CS -
首先我们一定是希望减少CS，那什么样的操作会发生CS呢？也许看了上面的介绍你还云里雾里？
首先，linux中一个进程的时间片到期，或是有更高优先级的进程抢占时，是会发生CS的，但这些都是我们应用开发者不可控的。那么我们不妨更多地从应用开发者（user space）的角度来看这个问题，我们的进程可以主动地向内核申请进行CS，而用户空间通常有两种手段能达到这一“目的”：
1）休眠当前进程/线程
2）唤醒其他进程/线程
pthread库中的pthread_cond_wait 和 pthread_cond_signal就是很好的例子（虽然是针对线程，但linux内核并不区分进程和线程，线程只是共享了address space和其他资源罢了），pthread_cond_wait负责将当前线程挂起并进入休眠，直到条件成立的那一刻，而pthread_cond_signal则是唤醒守候条件的线程。我们直接来看它们的代码吧
pthread_cond_wait.c
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__pthread_cond_wait (cond, mutex)
pthread_cond_t *cond;
pthread_mutex_t *mutex;
{
struct_pthread_cleanup_buffer buffer;
struct_condvar_cleanup_buffer cbuffer;
interr;
intpshared = (cond->__data.__mutex == (void*) ~0l)
? LLL_SHARED : LLL_PRIVATE;
/* yunjie: 这里省略了部分代码 */
do
{
/* yunjie: 这里省略了部分代码 */
/* Wait until woken by signal or broadcast. */
lll_futex_wait (&cond->__data.__futex, futex_val, pshared);
/* yunjie: 这里省略了部分代码 */
/* If a broadcast happened, we are done. */
if(cbuffer.bc_seq != cond->__data.__broadcast_seq)
gotobc_out;
/* Check whether we are eligible for wakeup. */
val = cond->__data.__wakeup_seq;
}
while(val == seq || cond->__data.__woken_seq == val);
/* Another thread woken up. */
++cond->__data.__woken_seq;
bc_out:
/* yunjie: 这里省略了部分代码 */
return__pthread_mutex_cond_lock (mutex);
}
|
代码已经经过精简，但我们仍然直接把目光放到19行，lll_futex_wait，这是一个pthread内部宏，用处是调用系统调用sys_futex（futex是一种user mode和kernel mode混合mutex，这里不展开讲了），这个操作会将当前线程挂起休眠（马上我们将会到内核中一探究竟）
lll_futex_wait宏展开的全貌
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 | #define lll_futex_wake(futex, nr, private) \
do{ \
int__ignore; \
register__typeof (nr) _nr __asm ("edx") = (nr); \
__asm __volatile ("syscall"\
:"=a"(__ignore) \
:"0"(SYS_futex),"D"(futex), \
"S"(__lll_private_flag (FUTEX_WAKE,private)), \
"d"(_nr) \
:"memory","cc","r10","r11","cx"); \
}while(0)
|
可以看到，该宏的行为很简单，就是通过内嵌汇编的方式，快速调用syscall:SYS_futex，所以我们也不用再多费口舌，直接看kernel的实现吧
linux/kernel/futex.c
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structtimespec __user *, utime, u32 __user *, uaddr2,
u32, val3)
{
structtimespec ts;
ktime_t t, *tp = NULL;
u32 val2 = 0;
intcmd = op & FUTEX_CMD_MASK;
if(utime && (cmd == FUTEX_WAIT || cmd == FUTEX_LOCK_PI ||
cmd == FUTEX_WAIT_BITSET)) {
if(copy_from_user(&ts, utime,sizeof(ts)) != 0)
return-EFAULT;
if(!timespec_valid(&ts))
return-EINVAL;
t = timespec_to_ktime(ts);
if(cmd == FUTEX_WAIT)
t = ktime_add_safe(ktime_get(), t);
tp = &t;
}
/*
* requeue parameter in 'utime' if cmd == FUTEX_REQUEUE.
* number of waiters to wake in 'utime' if cmd == FUTEX_WAKE_OP.
*/
if(cmd == FUTEX_REQUEUE || cmd == FUTEX_CMP_REQUEUE ||
cmd == FUTEX_WAKE_OP)
val2 = (u32) (unsignedlong) utime;
returndo_futex(uaddr, op, val, tp, uaddr2, val2, val3);
}
|
linux 2.5内核以后都使用这种SYSCALL_DEFINE的方式来实现内核对应的syscall（我这里阅读的是inux-2.6.27.62内核）， 略过一些条件检测和参数拷贝的代码，我们可以看到在函数最后调用了do_futex，由于这里内核会进行多个函数地跳转，我这里就不一一贴代码污染大家了
大致流程： pthread_cond_wait => sys_futex => do_futex => futex_wait （蓝色部分为内核调用流程）
futex_wait中的部分代码
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__set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
add_wait_queue(&q.waiters, &wait);
/*
* !plist_node_empty() is safe here without any lock.
* q.lock_ptr != 0 is not safe, because of ordering against wakeup.
*/
if(likely(!plist_node_empty(&q.list))) {
if(!abs_time)
schedule();
else{
hrtimer_init_on_stack(&t.timer, CLOCK_MONOTONIC,
HRTIMER_MODE_ABS);
hrtimer_init_sleeper(&t, current);
t.timer.expires = *abs_time;
hrtimer_start(&t.timer, t.timer.expires,
HRTIMER_MODE_ABS);
if(!hrtimer_active(&t.timer))
t.task = NULL;
/*
* the timer could have already expired, in which
* case current would be flagged for rescheduling.
* Don't bother calling schedule.
*/
if(likely(t.task))
schedule();
hrtimer_cancel(&t.timer);
/* Flag if a timeout occured */
rem = (t.task == NULL);
destroy_hrtimer_on_stack(&t.timer);
}
}
|
以上是futex_wait的一部分代码，主要逻辑是将当前进程/线程的状态设为TASK_INTERRUPTIBLE（可被信号打断），然后将当前进程/线程加入到内核的wait队列（等待某种条件发生而暂时不会进行抢占的进程序列），之后会调用schedule，这是内核用于调度进程的函数，在其内部还会调用context_switch，在这里就不展开，但有一点可以肯定就是当前进程/线程会休眠，然后内核会调度器他还有时间片的进程/线程来抢占CPU，这样pthread_cond_wait就完成了一次CS
pthread_cond_signal的流程基本和pthread_cond_wait一致，这里都不再贴代码耽误时间
大致流程：pthread_cond_signal => SYS_futex => do_futex => futex_wake => wake_futex => __wake_up => __wake_up_common => try_to_wake_up （蓝色部分为内核调用流程）
try_to_wake_up()会设置一个need_resched标志，该标志标明内核是否需要重新执行一次调度，当syscall返回到user space或是中断返回时，内核会检查它，如果已被设置，内核会在继续执行之前调用调度程序，之后我们万能的