Linux 进程如何切换

在 Linux 中，**进程切换（Process Switch）**本质上是由内核调度器（scheduler）完成的，它涉及 进程被抢占、上下文保存与恢复、以及新进程的运行。下面按“整体流程 → 关键机制 → 代码层面 → 常见误区”来解释。

一、进程切换的本质

进程切换 = 从一个进程的执行上下文切换到另一个进程的执行上下文。

切换时至少包括：

CPU 寄存器（PC、SP、通用寄存器等）
堆栈（内核栈 / 用户栈）
内存映射（页表）
调度相关信息（优先级、调度类等）

注意：进程切换 ≠ 线程切换

进程切换：地址空间（页表）通常也要切换

线程切换：同一进程内，地址空间不变

二、进程切换的触发时机

进程切换只在 内核态 发生，常见触发点有：

1️⃣ 时间片耗尽（时钟中断）

时钟中断（timer interrupt）
调度器发现当前进程时间片用完
调用 schedule()

2️⃣ 进程主动让出 CPU

sleep()
wait()
mutex / sem 阻塞
schedule() 被显式调用

3️⃣ 进程被抢占

高优先级进程就绪
中断处理结束返回内核态时检查 need_resched

4️⃣ 进程退出

exit() → 切换到其他进程

三、进程切换的整体流程（宏观）

用户态执行
   ↓
中断 / 系统调用进入内核态
   ↓
调度器选择下一个进程
   ↓
执行上下文切换（context switch）
   ↓
恢复新进程的执行上下文
   ↓
返回用户态继续执行

四、调度器如何工作（核心）

Linux 使用 完全公平调度器（CFS，Completely Fair Scheduler）（默认）。

调度核心函数

schedule()

主要做三件事：

选择下一个 task_struct
切换地址空间（页表）
切换 CPU 寄存器和栈

五、上下文切换的具体过程（重点）

1️⃣ 保存当前进程上下文

保存的内容包括：

通用寄存器
程序计数器（PC）
栈指针（SP）
CPU 状态

这些信息保存在：

struct thread_struct thread;

位于 task_struct 中。

2️⃣ 切换地址空间（进程切换关键）

switch_mm()

主要工作：

切换页表（CR3 寄存器）
TLB 刷新（必要时）
切换内存映射

✅ 这是 进程切换与线程切换最重要的区别

3️⃣ 切换内核栈和执行流

switch_to(prev, next, last)

这是 架构相关代码（如 x86）：

保存旧进程寄存器
恢复新进程寄存器
跳转到新进程的返回地址

在 x86 上本质类似：

push regs
mov esp, next->thread.esp
pop regs
ret

切换完成后：

✅ CPU 看起来就像“从未离开过新进程”

六、进程切换中用户态 / 内核态的变化

阶段	状态
切换前	当前进程内核态
上下文切换	内核态
切换后	新进程内核态
返回	用户态（或继续内核态）

进程切换 不会直接发生在用户态

七、进程切换是否保存用户态寄存器？

✅ 不会显式保存，但会“间接保存”

原因：

用户态 → 内核态：寄存器已保存在内核栈
上下文切换时：保存的是内核态上下文
返回用户态时：通过 iret 恢复用户态现场

八、进程切换性能开销

开销主要来自：

保存 / 恢复寄存器
切换页表（TLB flush）
Cache / 分支预测失效

因此：

进程切换 > 线程切换
频繁切换会影响性能

九、常见误区

❌ 进程切换 = 直接切换 PC
✅ 实际是完整上下文切换

❌ 切换发生在用户态
✅ 只发生在内核态

❌ 调度器每次都切换进程
✅ 可优化为“不切换”

十、总结一句话

Linux 进程切换是调度器通过 schedule()，在内核态保存当前进程上下文、切换页表和寄存器，恢复新进程上下文完成的执行流切换。

如果你愿意，我也可以：

画一张 进程切换时序图
结合 x86 / ARM 讲 switch_to
对比 进程 / 线程 / 协程切换
从 源码角度 讲 schedule() 和 context_switch()

你更想深入哪一部分？