Какво е контекстен превключвател?

В ранните дни на компютрите процесорите бяха чисто последователни машини. Това помогна дизайнът да бъде прост. Това обаче също ограничи производителността. Много процеси ще трябва да поискат данни от системната RAM памет или твърдия диск. Въпреки че системната RAM е бърза, тя все още не е толкова бърза, колкото процесора, оставяйки я да седи неактивен, чакайки данни, докато отговорът се върне от RAM. Ситуацията е още по-лоша за данните, поискани от твърдия диск, устройство за съхранение, много по-бавно от RAM. Тук процесорът може да не работи за значителни периоди, чакайки отговор. За съжаление при последователните процесори този проблем е просто неизбежен.

За щастие, съвременните процесори вече не са последователни. Те предлагат много разширени функции, като изпълнение извън реда и множество нишки. Изпълнението извън реда позволява на процесора да анализира предстоящите инструкции и да ги пренареди, за да увеличи максимално ефективността. Многопоточността позволява на процесора да има множество различни нишки или процеси.

Освен наличието на множество ядра, процесорът не може да работи с повече от едно наведнъж. Може обаче да изглежда така, като превключва редовно между тях, за да гарантира, че всеки от тях получава значително количество постоянно процесорно време. Процесът на превключване между нишки се нарича контекстно превключване.

Как работи превключването на контекст?

Превключването на контекста се състои от две части, изключване на предишната нишка и превключване на новата. За да промени старата нишка, процесорът трябва да запази текущото си състояние в блок за управление на процеса или превключваща рамка. Това включва стойностите на всички съответни регистри на процесора и винаги се състои от стойността на програмния брояч. След като нишката бъде съхранена, манипулатор може да бъде добавен към готова опашка, за да може тя да бъде възстановена, когато е необходимо.

Превключването в следващата нишка е същият процес в обратна посока. Нишката се избира или от опашката за готовност, в зависимост от теглото. Алтернативно, може да бъде избрано чрез прекъсване, което показва, че събитие, което нишката е чакала, вече е готово или завършено. След това данните за нишката се копират в правилните регистри и нишката се възстановява. В този момент новата нишка е готова да продължи работа от мястото, където е спряла.

Въздействие върху производителността

Процесът на четене и запис на данни при включване или изключване на нишка отнема известно време, макар и не много, тъй като използваната памет обикновено е високоскоростна. Има обаче допълнителни разходи за изпълнение. При превключване на нишки, данните в кеша и буферите на процесора от предишната нишка може да не са подходящи за новата нишка. Това може да доведе до значително увеличение на TLB ( Translation Lookaside Buffer ) и пропуски в кеша.

Този ефект не е значителен, ако двете нишки са създадени от един и същ процес, тъй като има вероятност те да споделят значителни елементи на паметта. TLB трябва да се изчисти изцяло при превключване между нишки от различни методи. Това води до 100% процент на пропуски на TLB, докато честотата на попадение на кеша на процесора също е значително намалена.

Докато процесорите предлагат хардуерна поддръжка за превключване на контекста, операционните системи обикновено не използват това. При превключването на хардуерния контекст липсва осъзнаване на уместността на данните. Следователно трябва да съхранява и възстановява всички регистри, като увеличава необходимото време и необходимото място за съхранение.

Освен това превключването на хардуерния контекст не съхранява данните от регистрите с плаваща запетая, функционалност, която може да е необходима. Следователно превключването на контекста на софтуера обикновено се използва. Позволява съхраняване на данните от всички регистри, включително регистри с плаваща запетая. Софтуерните контекстни превключватели имат разбиране за уместността на данните. Това означава, че може да избира кои да съхранява според нуждите.

Заключение

Превключването на контекста е процес, чрез който модерен процесор превключва коя нишка изпълнява. Процесът включва съхраняване на съответните данни на текущата нишка и възстановяване на съответните данни на новата нишка. Превключването на контекст идва с разходи за производителност, свързани с времето, необходимо за извършване на превключването, и повишената честота на пропуски в кеша и TLB, тъй като те не се съхраняват. Контекстните превключватели се случват или за да се гарантира, че всички нишки имат добър запас от процесорно време, или поради прекъсване, показващо, че събитие, което линията е чакала, е завършено.