【问题标题】：Is calling a function considered a context switching?调用函数是否被视为上下文切换？
【发布时间】：2020-09-21 12:25:18
【问题描述】：

当我调用如下函数时

void main(void){
    Function();
}

是否考虑到上下文切换，因为我在转到函数之前保存了寄存器？

【问题讨论】：

这不应该被迁移，这是关于理论计算机科学讨论中使用的术语定义的问题，而不是关于行为的问题。
这作为一个开放性问题更有帮助：如果我将函数调用视为上下文切换，那将意味着什么？通过这种方式思考可以收集到什么？
上下文切换是一个标准化术语。它指的是操作系统何时将焦点从一个进程切换到另一个进程，仅此而已。它与该过程的内部无关。
@BenVoigt 完全同意，恕我直言，从 CS 的角度来看，给出的答案相当不准确......
关于：void main(void){ main() 只有两个有效签名，它们是：int main( void ) 和 int main( int argc, char *argv[] )。请注意，它们的返回类型都是 int，而不是 void

标签： c++ c function context-switch

【解决方案1】：

不，上下文切换发生在内核交换进程时。调用 用户空间函数 会将您留在同一个进程中，因此不会是上下文切换。然而，调用内核函数需要来自内核的操作，因此它是到内核的上下文切换。

【讨论】：

当一个函数被调用时，一些寄存器保持原样，而另一些被复制到程序堆栈
在从用户模式切换到内核模式并返回时也会发生这种情况，例如执行系统调用时。
OS中的上下文通常是指寄存器和程序栈，广义上也包括页表项。当调用另一个函数时，这些都不会与另一个上下文交换。即使在线程之间切换时也会引入系统调用内核上下文。
线程是“迷你进程”，所以在这种情况下会有上下文切换（尽管它与调用函数无关）
交换完全是另一回事，甚至内核函数通常也不会离开进程地址空间。使用线程，您只需要在 CPU 寄存器之间切换，这可以被视为上下文切换。

【解决方案2】：

在我们问自己是否考虑这个“上下文切换”之前，我们应该弄清楚它的含义，或者说它可以意味着什么。

当我们谈论操作系统内核和进程时，我们可以在多个事物之间“切换”：

权限等级/戒指/模式
CPU 寄存器集
虚拟内存区

通常，不只是其中一个单独发生。 模式切换是相当频繁的事情，主管调用/异常或硬件中断（例如用于调度的计时器或外部设备）必然会触发这些。在几乎所有场景中，我们都需要获得更高的权限才能真正“做某事”。

当我们有某种异步执行中断时，需要存储所有 CPU 寄存器。这对于主管调用来说不是必要的，因为我们可以在调用者和被调用者之间定义一个调用约定，在执行指令之前注册谁负责备份¹。这对于硬件中断来说是不可能的，因为我们不知道它们何时会触发：一个进程应该如何能够预见它将在接下来的 t 纳秒内被中断并且必须备份所有使用的注册？

例如，当我们需要在虚拟内存区域之间进行切换时在进程之间切换（每个进程都有自己的地址空间）或在进程和内核地址空间之间切换（内核也是如此）。但是，主管调用通常不需要它，因为它们通常映射到进程地址空间，因此只能以更高的权限（内核模式）执行，而不会“离开进程”（进程的地址空间）。²

虽然特权级别之间的切换相当便宜（性能方面），但切换出完整的 CPU 寄存器集已经相当昂贵。然而，卸载完整的页表、刷新 TLB 等是最昂贵的，我们会尽量减少这种情况。这也是线程（通常）比进程性能更高的原因：在它们之间切换只需要在 CPU 寄存器之间切换（并且，根据实现，短模式切换）而不是地址空间之间的切换！

当我们在文献中读到“上下文切换”时，不幸的是，并不总是清楚这三者中的哪一个或哪种组合实际上被称为“上下文切换”。据我所知，该术语来自一个非常简化的机器模型，它没有区分中断、异常/主管调用，也没有切换 CPU 寄存器或地址空间。在这个模型中，我们只看到“内核 [mode/space/...]”和“用户 [mode/space/...]”，它们之间的任何切换都被认为是“上下文切换”。

幸运的是，您发布的场景不适合这些开关中的任何，因为它是同一地址空间内的同步、非特权函数调用，因此不需要任何开关，而是一个简单的调用约定只保存那些需要保存的寄存器就足够了。

¹ 但这可能会产生安全隐患，正如@BenVoigt 正确指出的那样。对于gettimeofday()（参见this LWN.net article）之类的调用，这不是问题，但在其他情况下，这可能会导致机密数据泄露给用户进程。

² 一些微内核设计调度了一个进程，它实际上处理了主管调用的实现，因此需要切换到这个进程的地址空间。

【讨论】：

"这不是主管调用的情况，因为我们可以在调用者和被调用者之间定义一个调用约定，在执行指令之前注册谁负责备份。"这样做，现在你就暴露了受保护的数据类型攻击（参见例如 Heartbleed）。主管需要恢复它使用的任何可能包含特权数据的寄存器，而不是依赖调用者这样做。一般来说，为了安全起见，这意味着系统调用应该恢复所有以任何方式使用的内容
一般来说，虽然这是一个比其他答案更有用的答案，特别是对于 CS 讨论和文学来说。
@BenVoigt 谢谢，我改写了那部分以添加点头。安全！

【解决方案3】：

上下文切换？

当我们同时处理多项任务时，我们真正要做的就是不断地从一项任务切换到另一项任务。这就是上下文切换。

该术语起源于计算机科学。运行多线程进程的 CPU 在运行另一个线程时会暂时搁置给定线程的执行。

调用函数不会切换除内核进程之外的进程

【讨论】：