面试题：进程管理之降低上下文切换开销的常见途径

Question

请简要阐述在操作系统进程管理中，降低上下文切换开销的常见途径有哪些，并说明每种途径的基本原理。

Answer 1

增加进程数

• 原理：让更多进程处于就绪状态，减少因等待资源导致的上下文切换。当一个进程因I/O等操作阻塞时，系统可快速切换到其他就绪进程执行，减少CPU空闲时间。

优化调度算法

• 原理：采用合适调度算法，如多级反馈队列调度算法。根据进程特点（如CPU 密集型或I/O密集型）分配不同优先级和时间片，尽量让CPU持续处理同一进程，减少不必要的上下文切换。

内核线程

• 原理：内核线程共享同一进程地址空间，上下文切换仅需切换少量寄存器和栈等资源，相比进程间上下文切换，开销大幅降低。因为进程切换需切换地址空间等大量资源。

缓存常用数据

• 原理：缓存如快表（TLB），用于缓存页表项。在地址转换时，可快速获取虚拟地址对应的物理地址，减少因缺页等导致的上下文切换。缺页时通常需从磁盘加载页表，引发进程调度和上下文切换。

硬件支持

• 原理：现代处理器提供特殊指令和机制，如硬件上下文切换寄存器。保存和恢复上下文时，可通过这些寄存器快速完成，相比软件实现的上下文切换，减少了指令执行数量，从而降低开销。