操作系统中的进程控制块（PCB）与上下文切换 1. 知识点的描述 进程控制块（Process Control Block，PCB）是操作系统中用于管理进程的核心数据结构。每个进程对应一个PCB，保存了进程的所有关键信息。当操作系统需要切换执行的进程时，会触发 上下文切换 （Context Switch），即保存当前进程的运行状态到其PCB，并加载下一个进程的PCB中的状态到CPU寄存器。这一机制是实现多任务的基础。 2. PCB包含的关键信息 PCB通常包含以下内容（具体实现因操作系统而异）： 进程标识信息 ：进程ID（PID）、父进程ID（PPID）等。 进程状态 ：运行（Running）、就绪（Ready）、阻塞（Blocked）等。 CPU上下文 ：程序计数器（PC）、通用寄存器、栈指针等硬件状态。 调度信息 ：进程优先级、调度队列指针等。 内存管理信息 ：页表基地址、内存界限寄存器等。 资源信息 ：打开的文件列表、I/O设备分配情况等。 其他 ：进程权限、信号处理表、会计信息（如占用CPU时间）等。 ** 3. 上下文切换的触发场景**** 上下文切换发生在以下典型情况： 进程主动让出CPU（如通过系统调用进入阻塞状态）。 时间片用完，被调度器强制切换。 更高优先级进程就绪（可抢占式调度）。 中断处理导致内核态切换（如I/O完成中断唤醒阻塞进程）。 4. 上下文切换的详细步骤 假设当前运行进程A，需要切换到进程B： 保存A的上下文 ： 中断或系统调用触发后，硬件自动保存A的 程序计数器（PC）和状态寄存器 到内核栈。 操作系统保存A的 通用寄存器、栈指针 等剩余信息到其PCB中。 更新进程状态 ： 将A的状态从“运行”改为“就绪”或“阻塞”，并将其PCB加入对应队列。 选择下一个进程 ： 调度器从就绪队列中选择进程B（如基于优先级或时间片轮转）。 加载B的上下文 ： 从B的PCB中恢复其通用寄存器、栈指针等硬件状态。 更新页表基地址寄存器（若支持虚拟内存），切换内存空间。 跳转到B的执行点 ： 将B的PCB中保存的程序计数器值加载到CPU的PC寄存器，CPU开始执行B的代码。 5. 上下文切换的性能开销 上下文切换是昂贵的操作，因为： 直接开销：保存/加载寄存器、更新调度队列等需要CPU周期。 间接开销：切换后可能导致缓存（Cache）和TLB失效，需重新加载数据。 优化方法包括减少不必要的切换、使用线程（同一进程内线程共享内存空间，切换开销较小）等。 6. 实例说明 假设进程A正在执行计算，此时磁盘I/O完成中断触发： 硬件保存A的PC和状态寄存器，跳转到中断处理程序。 操作系统保存A的完整上下文到其PCB，将A标记为就绪。 中断处理程序唤醒等待该I/O的进程B（原为阻塞状态）。 调度器选择B运行，从B的PCB加载上下文到寄存器。 CPU开始执行B的代码，进程A的状态被完整保留，后续可恢复执行。 通过PCB和上下文切换，操作系统实现了进程的隔离与并发执行，这是多任务系统的核心基础。