程序员必懂!上下文切换到底是怎么回事?

简介: 大家好,我是小米,一个喜欢分享技术的程序员。今天聊聊社招面试中的高频考点——上下文切换。它指CPU在多个任务间切换时保存和恢复状态的过程,常见于进程、线程切换及中断处理。上下文切换有CPU时间开销、缓存失效、内存开销等代价。优化方法包括减少线程数量、选择合适的并发模型、优化锁使用等。理解这些不仅能提升面试表现,还能写出更高效的代码。欢迎关注我的微信公众号“软件求生”,获取更多技术干货!



大家好,我是小米,一个积极活泼、喜欢分享技术的程序员!今天又来跟大家聊聊程序员社招面试中一个常见的高频考点:上下文切换

相信不少小伙伴在面试中都会碰到类似的问题,比如“什么是上下文切换?”、“上下文切换的代价是什么?”或者“如何优化上下文切换?”如果你还对这些问题摸不着头脑,那今天的文章一定不要错过!

故事开头:面试中的“上下文切换”

话说,有一天,我的小伙伴阿豪去面试一家知名互联网公司。面试官问:“你了解上下文切换吗?”

阿豪有点懵,半天憋出来一句:“是不是线程之间的切换?”

面试官笑了笑:“嗯……那线程切换和上下文切换是什么关系呢?再补充下它的代价和优化方法吧。”

阿豪彻底卡壳了,面试官点点头,礼貌地说:“没关系,这道题回去再复习一下吧。”

面试结束后,阿豪一脸郁闷地找到我:“小米!上下文切换到底是什么鬼?”

于是,我跟阿豪详细聊了一下。接下来,就把我们讨论的内容分享给大家!

什么是上下文切换?

简单来说,上下文切换就是指CPU在多个任务之间切换时保存和恢复任务状态的过程

上下文切换通常发生在以下三种场景:

  • 进程切换:当操作系统调度从一个进程切换到另一个进程时,需要保存当前进程的上下文(比如寄存器、程序计数器等),并加载下一个进程的上下文。
  • 线程切换:在多线程环境中,CPU会从一个线程切换到另一个线程,同样需要保存和恢复线程的状态。
  • 中断处理:当硬件中断发生时,操作系统需要保存当前任务的上下文,处理完中断后再恢复任务的上下文。

举个形象的例子:假设你是一个在家写代码的程序员,突然有人敲门送快递(硬件中断),你得暂停手上的活(保存当前状态),去开门签收(处理中断),回来后再继续写代码(恢复状态)。

上下文切换的代价

阿豪听完概念,点点头问:“小米,上下文切换听起来挺麻烦的,代价大吗?”

“当然啦!”我回答,“上下文切换的代价主要体现在以下几个方面:”

  • CPU时间的开销:上下文切换本质上是操作系统的一种开销。保存当前任务状态、加载下一个任务状态,以及切换内核态和用户态的过程中,都需要消耗一定的CPU时间。
  • 缓存失效:当CPU从一个任务切换到另一个任务时,原任务的缓存数据可能会失效。切换到新任务后,CPU需要重新加载新任务的数据,导致性能下降。
  • 内存开销:操作系统需要为每个任务保存上下文信息,这会占用一定的内存资源。当任务数量较多时,上下文信息的存储也会成为一个问题。
  • 线程调度的复杂性:如果线程切换过于频繁,会导致系统花费大量时间在调度上,而非真正执行任务,这就是所谓的“线程抖动”。

如何优化上下文切换?

阿豪挠挠头:“既然代价这么高,那我们能不能优化一下上下文切换?”

“当然可以!”我笑着回答,“以下几个方法可以有效减少上下文切换的开销:”

  • 减少线程和进程数量:合理设计系统架构,避免过多的线程和进程。比如,使用线程池来复用线程,而不是频繁创建和销毁线程。
  • 选择合适的并发模型:在一些场景下,可以考虑使用协程代替线程。协程的上下文切换发生在用户态,开销远小于线程的上下文切换。
  • 优化锁的使用:尽量减少锁的竞争和持有时间,避免线程因为等待锁而频繁进入阻塞状态。
  • 使用无锁数据结构:在一些高并发场景中,使用无锁数据结构可以减少线程之间的冲突,从而降低上下文切换的频率。
  • 减少中断:合理配置硬件和操作系统,避免不必要的中断发生。

结尾:阿豪的领悟

听完我的讲解,阿豪一拍大腿:“原来上下文切换还有这么多学问!我回去一定好好复习这部分内容,下次面试绝对不栽在这个问题上!”

“嗯嗯,加油!”我鼓励他,“记住,理解上下文切换的本质和优化方法,不仅能让你在面试中脱颖而出,还能帮助你写出更高效的代码!”

复习小结

在今天的文章中,我们聊了以下几点:

  • 什么是上下文切换?
  • 上下文切换的代价是什么?
  • 如何优化上下文切换?

END

希望大家看完这篇文章后,能对上下文切换有一个全面的了解!如果你有任何疑问或想补充的内容,欢迎在评论区留言,我会一一回复哦!

我是小米,一个喜欢分享技术的29岁程序员。如果你喜欢我的文章,欢迎关注我的微信公众号软件求生,获取更多技术干货!

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