Шта је промена контекста?

У раним данима рачунарства, ЦПУ су биле чисто секвенцијалне машине. Ово је помогло да дизајн буде једноставан. Међутим, то је такође ограничило перформансе. Многи процеси ће морати да затраже податке из системске РАМ меморије или чврстог диска. Иако је системска РАМ брза, и даље није брза као ЦПУ, остављајући је у стању мировања, чекајући податке док се одговор не врати из РАМ-а. Ситуација је још гора за податке који се траже са чврстог диска, уређаја за складиштење који је много спорији од РАМ-а. Овде ЦПУ може бити неактиван током значајних периода, чекајући одговор. Нажалост, код секвенцијалних процесора, овај проблем је једноставно неизбежан.

Срећом, модерни процесори више нису секвенцијални. Они нуде многе напредне функције, као што су извршавање ван реда и више нити. Извршење ван редоследа омогућава ЦПУ-у да анализира предстојеће инструкције и да их промени како би максимизирала ефикасност. Мулти-тхреадинг омогућава ЦПУ-у да има покренуте бројне различите нити или процесе.

Осим што има више језгара, ЦПУ не може да ради више од једног истовремено. Међутим, то може учинити тако да изгледа тако што се редовно пребацује између њих како би се осигурало да сваки добије приличну количину константног ЦПУ времена. Процес пребацивања између нити се назива пребацивање контекста.

Како функционише промена контекста?

Пребацивање контекста се састоји од два дела, искључивања претходне нити и пребацивања у нову. Да би променио стару нит, ЦПУ мора да сачува своје тренутно стање у блоку контроле процеса или оквиру прекидача. Ово укључује вредности свих релевантних ЦПУ регистара и увек се састоји од вредности програмског бројача. Једном када је нит сачувана, ручка се може додати у спреман ред како би се омогућило да се врати када је то потребно.

Пребацивање у следећој нити је исти процес обрнутим путем. Нит се бира или из спремног реда, у зависности од пондерисања. Алтернативно, може се изабрати прекидом који указује да је догађај на који је нит чекала сада спреман или завршен. Подаци за нит се затим копирају у исправне регистре и нит се враћа. У овом тренутку, нова нит је спремна да настави рад са места где је стала.

Утицај на перформансе

Процес читања и писања података приликом пребацивања нити у или ван траје неко време, мада не много, пошто је меморија која се користи обично брза. Међутим, постоје додатни трошкови учинка. Приликом пребацивања нити, подаци у ЦПУ кешу и баферима из претходне нити можда неће бити релевантни за нову нит. Ово може довести до значајног повећања ТЛБ-а ( Транслатион Лоокасиде Буффер ) и промашаја кеша.

Овај ефекат није значајан ако су две нити настале истим процесом, јер вероватно деле значајне меморијске елементе. ТЛБ се мора у потпуности испрати када прелазите између нити са различитих метода. Ово доводи до стопе промашаја ТЛБ-а од 100%, док је стопа погодака ЦПУ кеша такође значајно смањена.

Док процесори нуде хардверску подршку за пребацивање контекста, оперативни системи то обично не користе. Хардверском пребацивању контекста недостаје свест о релевантности података. Због тога треба да ускладишти и врати све регистре, повећавајући потребно време и потребан простор за складиштење.

Поред тога, хардверско пребацивање контекста не складишти податке из регистара са плутајућим зарезом, што је функционалност која може бити неопходна. Стога се генерално користи софтверско пребацивање контекста. Омогућава чување података из свих регистара, укључујући регистре са покретним зарезом. Софтверске промене контекста разумеју релевантност података. То значи да може бирати које ће складиштити по потреби.

Закључак

Пребацивање контекста је процес којим модерни ЦПУ мења нит коју покреће. Процес укључује чување релевантних података тренутне нити и враћање релевантних података нове нити. Пребацивање контекста долази са трошковима перформанси који се односе на време потребно за извођење пребацивања, као и повећану стопу промашаја кеша и ТЛБ-а јер се они не чувају. Пребацивања контекста се дешавају или да би се осигурало да све нити имају довољно ЦПУ времена или због прекида који указује да је догађај на који је линија чекала завршен.