当我们运行一个程序时，操作系统会为这个程序创建一个新的进程，然后在该进程的上下文中运行可执行目标文件（即程序的二进制代码）。
每个进程都有自己的内存空间、寄存器、文件描述符等资源，这些资源在进程之间是隔离的，以确保它们不会相互干扰。
当我们运行一个程序时，就好像这个程序独自占了整台电脑资源一样，但这实际上是一种假象。
计算机的处理器（也就是电脑的大脑）会轮流为不同的程序提供服务。也就是说一个程序运行一会儿，然后让出处理器控制权，让其他程序有机会运行。
这个过程不断交替进行，就好像每个程序都在独立使用处理器一样，但实际上处理器在不同程序交错使用着。处理器通过「模式位」来提供一种功能：模式位告诉处理器当前运行的程序有多大特权，可以执行哪些操作，以及可以访问哪些计算机内存区域。当程序在「内核模式」下运行时，它可以执行指令集里的任何命令，访问所有的内存区域。当程序在「用户模式」下运行时，它的特权受到限制，不能执行一些特殊的操作，比如关闭服务器、改变处理器的模式、进行 I/O 操作或者访问计算机的核心数据。为了执行这些特殊操作，程序必须通过一种叫做「系统调用」的接口来请求内核帮助，我们之前文章《计算机系统「异常」处理机制》详细介绍过，这是一种间接方式来访问内核代码和数据。程序一开始在用户模式下启动，只有当发生特殊情况，比如「中断、故障、系统调用」时，处理器才会切换到内核模式。当内核完成任务后，处理器会再次切换回用户模式，让程序继续运行。在操作系统中，每个进程都有一个称为上下文的特殊数据集。这个上下文包含了许多重要的内容，例如：| 用户栈 | 用于保存函数调用信息 |
| 内核栈 | 用于处理内核级别操作 |
| 状态寄存器 | 包含处理器各种状态信息 |
| 目标寄存器 | 用于存储数据的位置 |
| 程序计数器 | 用于跟踪下一条指令位置 |
| 地址空间页表 | 用于管理内存访问权限 |
| 打开文件信息 | 用于跟踪文件操作 |
| 当前进程信息 | 包括进程状态、标识等 |
在进程的执行过程中，操作系统可以根据需要决定抢占当前正在执行的进程，并切换到先前被抢占的进程，这个决策过程被称为调度，由内核中的一个称为调度器的代码模块来管理和执行。当操作系统决定要切换到另一个进程时，首先会保存当前正在执行的进程的上下文。二、恢复原先被抢占的进程上下文
操作系统会选择要执行的下一个进程，并将其保存的上下文恢复回处理器的寄存器和状态中。
一旦新进程的上下文被恢复，处理器就会从程序计数器指示的地址开始执行新进程的代码。这样，控制权就转移到了新的进程，它可以继续执行自己的任务。
让我们来看一个具体的例子，说明进程切换是如何工作的。考虑两个进程，进程A和进程B，它们之间发生上下文切换的情况。
初始化，进程 A 处于用户模式下，执行一些计算任务。然后，它需要从磁盘读取数据，因此执行了一个系统调用（read）。这个系统调用需要内核的帮助，所以进程 A 将切换到内核模式。在内核模式下，内核代码开始处理进程 A 的系统调用请求。它与磁盘控制器通信，请求数据传输。由于磁盘读取需要一段时间（可能几十毫秒），内核不会让进程A一直等待，而是决定进行上下文切换，以充分利用计算机资源。此时，内核代表进程 A 在内核模式下执行命令。在上下文切换的第一部分中，内核暂停了代表进程 A 的执行，然后开始代表进程 B 在内核模式下执行指令。切换完成后，进程 B 在用户模式下开始运行。进程 B 在用户模式下运行一段时间，执行一些计算工作，直到磁盘控制器发出中断信号，表示数据已经从磁盘传送到内存。内核判断进程 B 已经运行了足够长的时间（或者根据其他调度策略），于是它执行一个上下文切换，将控制权从进程 B 切换回进程 A。此时，进程 A 在用户模式下继续执行系统调用 read 之后的命令。进程 A 继续执行它的任务，直到下一次发生异常或需要进行其他系统调用。这个过程可以一直循环下去，不同的进程之间交替执行，以实现多任务处理。
上下文切换允许操作系统有效地管理多个进程，确保它们在计算机上公平共享资源，同时避免了进程长时间等待，从而提高了系统的效率和响应能力。
题图生成：Pixabay
内容优化：ChatGPT
内容来源：《深入理解计算机系统》
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