操作系统

时钟中断与上下文切换:多个程序为什么能“同时”运行

一个 CPU 核心同一时刻只能跑一个程序,Linux 靠快速轮换制造“同时运行”的效果。

概况

以一个 CPU 核心上轮流运行两个程序为例。

一句话总结
时钟定期打断程序,内核保存现场、换另一个程序上场
为什么需要时钟
程序不会自愿让出 CPU,必须有外力把控制权拿回内核
Linux 调度器
长期用 CFS(完全公平调度),6.6 版起换成 EEVDF
代价
切换要花时间,还会让 CPU 缓存变冷
类比
JS 事件循环靠任务主动让出;操作系统是强制轮换
进程状态
运行、就绪(等 CPU)、阻塞(等 I/O)三态之间转换
抢占
时间片用完或更高优先级任务就绪时,内核强制换人
线程切换
同一进程的线程切换不用换页表,比进程切换便宜

步骤 5 / 7

调度要权衡什么

调度器要在吞吐、响应速度和公平之间取舍,没有一种策略全都最好。

后台批处理任务希望少被打断、整体做得快(吞吐);交互程序希望一按键就有反应(响应时间)。 时间片短,响应快但切换多;时间片长,切换少但交互会卡。 教科书里的先来先服务、短作业优先、轮转、多级反馈队列,都是在这几者之间做不同的取舍;Linux 的 CFS/EEVDF 按“谁用得少谁先上”来兼顾。

程序
内核
硬件
程序 A
程序 B
内核(调度器)
CPU 与时钟
权衡:吞吐 / 响应 / 公平
事件日志(5)
当前状态发生了什么
A 运行中程序 A 正在使用 CPU
进入内核态时钟到点,CPU 陷入内核
内核态保存程序 A 的上下文
内核态调度器选中程序 B
调度按策略挑选下一个