CPUのコンテキストスイッチについて

Question

お世話になります。

CPUが処理するプロセスを切り替えるために使用するコンテキストスイッチについて質問があります。

• まず、コンテキストスイッチが発生した際に、切り替わる前に使用していたコンテキストデータは物理的にどこに退避されるのでしょうか。

個人的にはCPU上のキャッシュメモリ(L1等)に保存されるのかと思っています。

また、上記認識が正しかった場合に、疑問があります。

• コンテキストはプロセスごとに作成されるため、プロセス数が多くなるとコンテキストの情報が多くなり

CPUのキャッシュメモリだけではデータを格納しきれないと思っています。その様な場合には
新たなプロセスは作成されない、またはコンテキストデータをメモリに退避するなどの処理が発生するのでしょうか。

いろいろネットを検索したのですが、該当する情報を得ることができなかったため質問させて頂きます。

以上、よろしくお願いします。

Answer 1

キャッシュメモリについての理解が間違っています。
この件についてはキャッシュメモリは忘れてください。

コンテクストスイッチの方法は、OSによって異なると思いますが、例えば、
・スタックポインタ以外のレジスタなどを全てスタックにプッシュする
・スタックポンタをそのプロセスの情報を管理する構造体に保存する
・切り替え先のプロセスの情報管理構造体からスタックポインタをロードする
・レジスタなどをポップする

Comments

[pepperleaf]

> そのプロセスの情報を管理する構造体
これって OSの管理領域ですね。 書かないと分からない人もいるのではないかと。

[otn]

コンテクストスイッチ自体が、OSの機能なので、OSの中の話と分かると思います。

[curl]

ご回答ありがとうございます。

いろいろ記載頂きありがとうございます。
知識がなかったので大変助かります。

Answer 2

CPU上のキャッシュメモリ(L1等)に保存される

コンテキストデータをメモリに退避する

結果的にはそうなるでしょう。
ただ、どのデータをどこに保存するかはプログラムは(基本的には)関知しません。
プログラムはあくまでコンテキストデータをメモリに保存しようとしますしメモリから読み出そうとします。
どのデータをキャッシュに保持しておくかはCPUのハードウェアが考えることです。

Comments

[pepperleaf]

> どのデータをキャッシュに保持しておくかはCPUのハードウェアが考える
OS(カーネル)も共犯だと思います。 (最近の見て無いですが)

[curl]

ご回答ありがとうございます。

>どのデータをキャッシュに保持しておくかはCPUのハードウェアが考えることです。

自分の方でも、OSも共犯なのか調べてみます。
勉強になりました。

Answer 3

・まず、（略）物理的にどこに退避されるのでしょうか。

→物理的にはまずCPU上のメモリライトキャッシュに乗り、メインメモリに書き出されます。

・コンテキスト（略）

→上記の通り最初からメインメモリに書き出されるものですので、発生しません。

　おそらく、退避と復帰がパフォーマンスに影響する点を気にされているのではないかと思われますが、そもそもプログラム自体がメインメモリから命令とデータを読み込んで動作するものですので、コンテキストスイッチで退避した部分だけがL1キャッシュから読み込めたとしても大差はありません。

Comments

[curl]

ご回答ありがとうございます。

ずばり知りたかったことを記載して頂きありがとうございました。

Answer 4

こんにちは。

386以降、その辺りの仕組みが非常に複雑化したので性能改善のためのより複雑な機構がある筈ですが、基本的にはコンテキスト情報（アドレス・レジスタやデータ・レジスタ、ページ・レジスタ等）はスタックへ待避されます。

Comments

[curl]

ご回答ありがとうございます。

スタックについて、あまり理解していなかったので再度調べてみます。

Answer 5

なにを対象としての質門なのか提示されてないので、ふわっとした回答しかできませんが、
FreeRTOSとかToppersとか、ソースが公開されているマルチタスクOSはいくつかあるので、そういうのを読んで、どうしてるのかを見てみればどうでしょう。

Comments

[curl]

ご回答ありがとうございます。

確かにソースコードを読んでみます。