What is Context Switch
Execution Flow and Context
我们先看什么是执行流 execution flow，execution flow 是一个抽象的概括，包含两个维度：
- CPU 寄存器中的值随着时间而变化
- execution flow 所属的栈随着 flow 的变化，不断进行压栈、退栈
那么上下文就是 execution flow 中某一时刻的瞬时快照/切片．记录的是
- 各个寄存器的值
- SP 指针当前的值，用于指明栈在当前时刻的状况
反过来，一连串连续的上下文构成了一个执行流．
从 stack 的视角来看，一个基本的上下文切换流程是：
- 保存当前 execution flow 的寄存器状态
- 切换栈指针
- 恢复另一个 execution flow 的寄存器状态
Categorization of Context Switch
所有的上下文切换不尽相同，这种不同主要是由不同执行流类型之间的切换导致的．我们在用户态和内核态下都存在多个线程/进程执行流．所以我们可以大致区分出四类 context switch
- 内核态执行流之间的切换
- 用户态执行流之间的切换
- 用户态进入内核态，内核态退出到用户态
- 中断嵌套
主动切换、被动切换
主动切换主要是内核态执行流之间、用户态执行流之间，还有内核态执行流退出到用户态．
用户态进入内核态的过程中，syscall 是主动的，但是中断进入内核是被动的．此外，中断嵌套（比如处理中断的过程中又发生 NMI 中断）也是被动的．
ABI & Context Switch
- Caller-saved registers
- Callee-saved registers
在主动切换时，我们只需要保存 callee-saved registers，因为 caller-saved registers 已经处于栈上了，由编译器管理．
Interruption Context Switch
注意 这里要注意的点在于：如果是中断的话，我们不能依赖 ABI 和编译器为我们保存的寄存器，而是必须完整地保存所有寄存器．原因在于，从栈的视角看，发生中断时，当前代码可能正好执行到一半，没有发生需要 context switch 的函数调用，那么我们就需要保存下所有 register 的信息并压到栈上．这里指的中断上下文切换，并不完全只是指的中断，还包括其他进入内核的方式，比如
syscall()
栈复用
在 x86 下，有个特殊的处理，如果是同一级别中断，也就是说中断处理程序的特权级和被中断执行流的特权级相同，就不会硬件切换栈．为什么这样做是可以的呢？
- kernel 态都是 OS 自己在操控，所以栈是默认可信的；
- 从语义的角度说，用户态进入内核态，语义发生的变化（执行 OS 层面操作需要新的环境），但是 kernel 态之间切换的话，语义没有改变，中断只是在当前执行流上再插入一段临时的处理逻辑；
- 当然性能也是一个 concern，不切换栈性能也有提升