【Linux从入门到精通】上下文概念详解

旧城等待， 2024-04-22 22:17 82阅读 0赞

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> 上篇文章（[进程的基本概念][Link 1]）我们讲解了进程后，还留下了一个上下文数据概念还没有解释。本篇文章会对上下文概念进行详解。在理解上下文概念时，同时会引出很多新的概念。我们都会对此进行详细解释，希望本篇文章会对你有所帮助。

> **文章目录**
> 
>  一、什么是上下文呢？
> 
> 1、1 进程上下文
> 
> 1、2 中断上下文
> 
> 1、3 举例理解进程上下文和中断上下文
> 
> 1、4 进程上下文和中断上下文的对比区别
> 
> 二、结合实例理解上下文概念
> 
> 2、1 时间片
> 
> 2、1、1 时间片用完后等同是该进程发生了中断吗？
> 
> 2、2 上下文数据
> 
> 2、2、1 上下文和上下文数据的区别
> 
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> **?♂️ 作者：@Ggggggtm ?♂️**
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> **? 专栏：Linux从入门到精通 ?**
> 
> **? 标题：上下文概念详解 ?**
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>  **❣️ 寄语：与其忙着诉苦，不如低头赶路，奋路前行，终将遇到一番好风景 ❣️**
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## 一、什么是上下文呢？ ##

> 上下文是**指程序或者系统当前所处的执行环境和状态**，它包括了**程序的状态、寄存器值、内存映射、文件描述符、信号处理器等*信息***。上下文是一个抽象的概念，它描述了程序或者系统的执行环境和运行状态。在操作系统中，上下文通常分为***进程上下文***和***中断上下文***两种类型。

### 1、1 进程上下文 ###

> 进程上下文是指***进程当前的执行环境和状态***，包括了进程的状态、寄存器值、内存映射、文件描述符、信号处理器等信息。
> 
> 进程上下文是操作系统中用于管理进程的重要概念，它决定了进程的执行环境和运行状态。当一个**进程被中断**或者**时间片**用完时，操作系统会将当前**进程的上下文数据**保存到**进程控制块（Process Control Block，PCB）**中，**并加载下一个进程的上下文数据**。当下一个进程的时间片用完时，操作系统会将当前进程的上下文数据保存到PCB中，并加载下一个进程的上下文数据。这个过程会不断地重复，直到所有进程都执行完毕。

> 这里引出了许多新的概念：***进程中断**、**时间片**、**上下文数据***。我们会在下文举实例将他们串联起来并对其进行解释。

### 1、2 中断上下文 ###

> 中断上下文是指***中断处理程序当前*的执行环境和状态**，包括了中断处理程序的状态、寄存器值、中断向量、中断源等信息。当**发生中断事件时**，**操作系统会立即中断当前进程的执行**，**转而执行中断处理程序**。此时，中断处理程序需要**保存当前进程的上下文数据**，并**加载中断处理程序的上下文数据**。当中**断处理程序执行完毕后，操作系统会恢复之前被中断的进程的上下文数据，并继续执行该进程**。

### 1、3 举例理解进程上下文和中断上下文 ###

> 假设有一个操作系统正在运行多个进程，其中一个进程正在执行一个计算任务，需要占用CPU资源。此时，一个外部设备发生了中断事件，需要操作系统立即响应并处理中断事件。
> 
> 在这个例子中，**进程上下文是指当前正在执行计算任务的进程的执行环境和状态**，包括了进程的状态、寄存器值、内存映射、文件描述符、信号处理器等信息。当中断事件发生时，操作系统需要保存当前进程的上下文数据，以便在下一次调度时，能够恢复进程的执行环境和状态。
> 
> **中断上下文是指中断处理程序当前的执行环境和状态**，包括了中断处理程序的状态、寄存器值、中断向量、中断源等信息。当中断事件发生时，操作系统需要立即中断当前进程的执行，转而执行中断处理程序。此时，中断处理程序需要保存当前进程的上下文数据，并加载中断处理程序的上下文数据，以便能够正确地处理中断事件。

### 1、4 进程上下文和中断上下文的对比区别 ###

> 我们详细对比一下两者可能更容易理解：
> 
>  *  **执行环境不同**：进程上下文是指进程当前的执行环境和状态，包括了进程的状态、寄存器值、内存映射、文件描述符、信号处理器等信息；而中断上下文是指中断处理程序当前的执行环境和状态，包括了中断处理程序的状态、寄存器值、中断向量、中断源等信息。进程上下文和中断上下文的执行环境不同，**进程上下文**是进程在用户态下的**执行环境**，而**中断上下文**是中断处理程序在**内核态下的执行环境**。
>  *  **触发方式不同**：**进程上下文**是在**进程被中断**或者**时间片用完**时，操作系统会将当前进程的上下文数据保存到进程控制块（Process Control Block，PCB）中，并加载下一个进程的上下文数据；而**中断上下文**是在发生**中断事件**时，操作系统会立即中断当前进程的执行，转而执行中断处理程序。
>  *  **保存位置不同**：**进程上下文**数据通常保存在**进程控制块（PCB）中**，而**中断上下文**数据通常保存在**操作系统内存中的特定位置**。
>  *  **处理方式不同**：进程上下文和中断上下文的处理方式也不同。在进程上下文中，操作系统需要**保存当前进程的上下文数据，并加载下一个进程的上下文数据**。在中断上下文中，操作系统需要**保存当前进程的上下文数据，并加载中断处理程序的上下文数据**。当中断处理程序执行完毕后，操作系统会恢复之前被中断的进程的上下文数据，并继续执行该进程。

>  **总结**：上下文是指程序或者系统当前所处的执行环境和状态，它包括了程序的状态、寄存器值、内存映射、文件描述符、信号处理器等信息。在操作系统中，上下文通常分为进程上下文和中断上下文两种类型。进程上下文是用于管理进程的重要概念，决定了进程的执行环境和运行状态；中断上下文是用于处理中断事件的重要概念，决定了中断处理程序的执行环境和处理方式。

> 我们了解到上面的概念后，可能还是很模糊。毕竟概念都是抽象的。接下里会举一些例子再来解释和理解上述的概念。

## 二、结合实例理解上下文概念 ##

> 我们上篇文章讲到，我们所写的代码，运行的程序本质上都是在内存上创建进程。 我们将程序运行起来后，就会产生很多临时数据。临时数据是保存在和寄存器当中的。寄存器有很多种，都是存储不同的数据，如下图：
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> 
> 假如我们内存中有若干个进程，如下图：
> 
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> 
> CPU需要从内存中读取数据。我们知道，不是所有的进程都可以在很短的时间的运行完毕的。假如进程1需要10s才能运行完毕，那CPU是只读取进程1的数据而花费10s吗？现在我们的计算机中大多是只有一个CPU的。CPU花费10s只去读一个进程时，这就意味着其他的进程是不在运行的。事实是我们的计算机是同时可运行多个进程，如下图：![5f8b4222008749f58132937381a8e960.png][]
> 
> 那CPU到底是怎么读取数据的呢？这里我们引出**时间片和上下文数据**的概念。

### 2、1 时间片 ###

> **时间片（Time Slice）**是操作系统中用于实现多任务调度的一种技术。在多任务系统中，操作系统需要将CPU时间分配给多个进程或线程，让它们交替执行，以达到同时运行多个任务的效果。时间片就是将CPU时间划分为若干个小的时间段，每个时间段称为一个时间片，每个进程或线程在一个时间片内执行一定的指令，然后切换到下一个进程或线程，以此实现多任务调度。
> 
> 结合上面例子，我们通俗来讲：一个进程并不是一次就运行完毕的，**时间片就是规定了每个程序的运行时间**。时间片的大小通常是**几十毫秒到几百毫秒**之间，具体大小取决于操作系统的设计和实现。当一个进程的时间片用完以后，即使程序没有运行完毕，也不在运行该程序，而是加载下一个进程的数据。

#### 2、1、1 时间片用完后等同是该进程发生了中断吗？ ####

> 我们知道当一个进程的时间片用完后，就不再执行该进程，操作系统会将CPU的执行权转移到另一个进程上 。那么**当一个进程的时间片用完后，等同是该进程发生了中断而执行中断处理程序吗？**

> 在某种程度上，当一个进程的时间片用完后，可以看作是该进程发生了中断而执行中断处理程序。因为当一个进程的时间片用完后，操作系统会将CPU的执行权转移到另一个进程上，这个过程就类似于中断处理程序的执行。在这个过程中，**操作系统需要保存当前进程的上下文数据**，**并加载下一个进程的上下文数据**，以便继续执行。这个过程和中断处理程序的执行过程非常相似，都需要保存当前上下文数据，并加载新的上下文数据。  
> 但是，需要注意的是，当一个进程的时间片用完后，操作系统并不会真正地执行中断处理程序。中断处理程序是在发生中断事件时才会被执行的，例如硬件故障或者用户按下了中断键。当一个进程的时间片用完后，操作系统只是将CPU的执行权转移到另一个进程上，这个过程并不是真正的中断处理程序。
> 
> 总结：**当一个进程的时间片用完后，可以看作是该进程发生了中断而执行中断处理程序，但是这个过程并不是真正的中断处理程序。**

### 2、2 上下文数据 ###

> 通过上面对时间片进行了解后，**那么问题来了**：进程1的时间片用完后，就不再执行进程1，操作系统会将CPU的执行权转移到进程上2，并没有运行完的进程1在CPU的寄存器上产生的许多临时数据需要我们保存下来吗？
> 
> ![4ea342ace77b4c5998cbe4f7cc8d214f.png][]
> 
> CPU的执行权再次回到进程1时，肯定不是从新开始运行进程1的。所以进程1的时间片用完后，所产生的许多临时数据是需要保存下的。而这个临时数据我们又称它为**上下文数据**。通俗讲，**上下文数据就是进程执行时处理器的寄存器中的数据**。

> **问题又来了**： CPU和寄存器只有一套，进程有很多个，因此会产生很多份上下文数据（临时数据），进程的时间片用完后，上下文数据又保存在哪里呢？
> 
> 上下文数据保存在操作系统内存中的特定数据结构中，这个数据结构通常被称为**上下文块（Context Block）或者上下文记录（Context Record）**。上下文块包含了进程或者中断处理程序的所有上下文数据。**上下文块又是保存在进程控制块**（Process Control Block，PCB）中的。
> 
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> 
> 到这里我想大家应该知道为什么在计算机只有一个CPU的情况下，**同时还能多进程运行**。我们用户感受到的多个进程在同时运行，**本质上是CPU的时间片的快速切换完成的**。

#### 2、2、1 上下文和上下文数据的区别 ####

> 学到这里，有很多同学分不清楚上下文和上下文数据的概念了。在这里给大家对比理解一下两者的概念区别。
> 
> **上下文是指程序或者系统当前所处的执行环境和状态**，它包括了程序的状态、寄存器值、内存映射、文件描述符、信号处理器等信息。**上下文是一个抽象的概念，它描述了程序或者系统的执行环境和运行状态。**
> 
> **上下文数据是指具体的上下文信息**，它包括了程序或者系统的状态、寄存器值、内存映射、文件描述符、信号处理器**等具体数据**。**上下文数据是上下文的具体表现形式，它是程序或者系统当前状态的具体描述。**

> 举个例子，当一个进程正在执行一个计算任务时，它的上下文包括了进程的状态、寄存器值、内存映射、文件描述符、信号处理器等信息。这些信息构成了进程的上下文，描述了进程的执行环境和运行状态。而这些具体的信息，就是进程的上下文数据。

> 总而言之，上下文和上下文数据是两个不同的概念，它们之间存在一定的区别。上下文是指程序或者系统当前所处的执行环境和状态，是一个抽象的概念；而上下文数据是指具体的上下文信息，包括了程序或者系统的状态、寄存器值、内存映射、文件描述符、信号处理器等具体数据，是上下文的具体表现形式。

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[Link 1]: https://blog.csdn.net/weixin_67596609/article/details/130638352?spm=1001.2014.3001.5501
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