Cambio de contexto
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Cambio de contexto ( interruptor de contexto en inglés ): en sistemas operativos y entornos multitarea , el proceso de finalizar la ejecución de una tarea (proceso, subproceso, subproceso) por parte del procesador mientras se guarda toda la información necesaria y el estado necesario para la continuación posterior desde el lugar interrumpido. , y restaurar y cargar el estado de la tarea para ser ejecutado por el procesador.
El procedimiento de cambio de contexto incluye la llamada programación de tareas , el proceso de decidir a qué tarea transferir el control.
Descripción
Un cambio de contexto guarda y restaura la siguiente información:
- Registro de contexto de registros de propósito general (incluido el registro de bandera )
- Contexto de estado de registro de coma flotante/ MMX ( x86 )
- Estado de registro SSE , AVX ( x86 )
- Estado de registro de segmento (x86)
- El estado de algunos registros de control (por ejemplo, el registro CR3 responsable de la memoria del proceso de paginación) (x86)
En el kernel del sistema operativo , las siguientes estructuras están asociadas con cada subproceso:
- Información general pid, tid, uid, gid, euid, egid, etc.
- Estado de proceso/subproceso
- Derechos de acceso
- Recursos y bloqueos utilizados por el subproceso
- Contadores de uso de recursos (por ejemplo, temporizadores de CPU usados)
- Regiones de memoria asignadas a un proceso
Cambio de contexto y rendimiento
Además, y muy importante, las siguientes acciones de hardware invisibles al software que afectan el rendimiento ocurren durante un cambio de contexto:
- La canalización de instrucciones del procesador y los datos se borran
- Se borra TLB , que es responsable de paginar las direcciones lineales a las físicas.
Además, se deben tener en cuenta los siguientes hechos que afectan el estado del sistema:
- El contenido del caché (especialmente el caché de primer nivel), acumulado y "optimizado" para la ejecución de un hilo, resulta completamente inaplicable al nuevo hilo al que se está cambiando.
- Cuando se realiza un cambio de contexto a un proceso que no se ha utilizado durante mucho tiempo (ver paginación ), es posible que muchas páginas no estén físicamente disponibles en la memoria principal, lo que hace que las páginas intercambiadas se carguen desde la memoria secundaria.
Cambio de contexto y sistema operativo
Desde el punto de vista de la capa de aplicación, el cambio de contexto se puede dividir en voluntario (voluntario) y forzado (no voluntario): un proceso/subproceso en ejecución puede transferir el control a otro subproceso, o el núcleo puede quitarle el control a la fuerza. eso.
- El kernel del sistema operativo puede tomar el control de un proceso/subproceso en ejecución cuando expira el período de tiempo. Desde el punto de vista del programador, esto significa que el control podría escapar del hilo en el "peor" momento, cuando las estructuras de datos podrían estar en un estado inconsistente porque su modificación no se completó.
- Ejecutar una llamada al sistema de bloqueo . Cuando una aplicación realiza E/S, el núcleo puede decidir que puede ceder el control a otro subproceso/proceso mientras espera que se complete la E/S de disco o red solicitada por ese subproceso. Esta opción es la más productiva.
- Primitivas de sincronización del núcleo. Mutexes , semáforos , etc. Esta es la principal fuente de problemas de rendimiento. Un trabajo insuficientemente pensado con primitivas de sincronización puede dar lugar a decenas de miles y, en casos especialmente desatendidos, a cientos de miles de cambios de contexto por segundo.
- Una llamada al sistema que espera explícitamente a que ocurra un evento (seleccionar, sondear, esondear, pausar, esperar, ...) o un punto en el tiempo (dormir, nanodormir, ...). Esta opción es relativamente productiva, ya que el kernel del sistema operativo tiene información sobre los procesos en espera.
Características del procedimiento del planificador
La diferencia entre los sistemas operativos de tiempo real y de tiempo compartido se ve más claramente en la diferencia en la lógica de programación para los cambios de contexto: el programador del sistema de tiempo compartido trata de maximizar el rendimiento de todo el sistema, posiblemente a expensas del rendimiento de procesos individuales. La tarea del programador del sistema en tiempo real es garantizar que los procesos críticos individuales se ejecuten con prioridad, sin importar cuán pesada sea la sobrecarga para el resto del sistema en su conjunto.
Implementaciones de cambio de contexto en sistemas operativos modernos
Como se puede ver en lo anterior, un cambio de contexto es una operación que consume muchos recursos, y cuanto más "elegante" es el procesador, más recursos se vuelve esta operación. En base a esto, el núcleo utiliza una serie de estrategias para, en primer lugar, reducir el número de cambios de contexto y, en segundo lugar, hacer que el cambio de contexto requiera menos recursos.
Métodos para reducir el número de cambios de contexto:
- Es posible configurar la cantidad de tiempo del procesador asignada a un subproceso. Al compilar el kernel de Linux, es posible especificar Servidor/Escritorio/Escritorio de baja latencia. Para configuraciones de servidor, esta cantidad es mayor.
Métodos para reducir la intensidad de recursos del cambio de contexto:
- Cuando el contexto cambia entre subprocesos que comparten el mismo espacio de direcciones dentro del mismo proceso, el kernel no toca el registro CR3, por lo que guarda el TLB
- En muchos casos, el núcleo reside en el mismo espacio de direcciones que el proceso de usuario. Cuando el contexto cambia entre el espacio del usuario y el espacio del kernel (y viceversa), lo que, por ejemplo, ocurre cuando se ejecutan llamadas al sistema, el kernel no toca el registro CR3, por lo que guarda el TLB
- Al programar, el kernel intenta minimizar el movimiento del proceso entre los núcleos de procesamiento en el sistema SMP , mejorando así la eficiencia de la caché L2.
- El guardado/restauración real del contexto del coprocesador de coma flotante y los registros de contexto MMX/SSE ocurre en el primer acceso de un nuevo subproceso, que está optimizado para el caso en que la mayoría de los subprocesos realizan solo operaciones con registros de propósito general.
Los ejemplos anteriores se refieren al kernel de Linux , sin embargo, otros sistemas operativos también usan métodos similares, aunque en el caso de los sistemas operativos propietarios es problemático probar/refutar el uso de este.
Notas de terminología
Enlaces