【Linux从入门到精通】上下文概念详解

上篇文章（进程的基本概念）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。

🙋‍♂️ 作者：@Ggggggtm 🙋‍♂️

👀 专栏：Linux从入门到精通 👀

💥 标题：上下文概念详解 💥

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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：

假如我们内存中有若干个进程，如下图：

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：

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？

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。

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。