Переключение контекста и IPC

Как ОС создаёт иллюзию, что десятки процессов работают одновременно на одном ядре, и как процессы общаются между собой.

Переключение контекста (context switch) — это сохранение состояния одного процесса и загрузка состояния другого, чтобы процессор мог переключиться с одной задачи на другую.

Как создаётся иллюзия параллелизма

На одном ядре в каждый момент выполняется ровно один процесс. Но ОС переключается между процессами так быстро (десятки и сотни раз в секунду), что нам кажется, будто всё работает одновременно. Это как киноплёнка: отдельные кадры статичны, но при быстрой смене возникает движение.

Что происходит при переключении

Процесс A выполняется
   |
   | происходит прерывание (квант истёк или ввод-вывод)
   v
1. сохранить регистры и счётчик команд A в его PCB
2. выбрать следующий процесс B (работа планировщика)
3. загрузить регистры и счётчик команд B из его PCB
   |
   v
Процесс B выполняется

Во время этой процедуры процессор не делает полезной работы — он занят «бухгалтерией». Поэтому переключение контекста — это накладные расходы (overhead). Чем чаще переключаемся, тем больше времени теряем впустую.

Почему переключение дорогое

• Нужно сохранить и восстановить десятки регистров.
• Часто «протухает» кэш процессора: новый процесс работает с другими данными, и быстрый кэш приходится заполнять заново.
• При смене процесса (а не потока) перенастраивается таблица страниц памяти.

Отсюда практический вывод: слишком частые переключения вредны. Это важный компромисс в планировании — об этом следующий раздел.

Межпроцессное взаимодействие (IPC)

Процессы изолированы — это хорошо для безопасности, но иногда им нужно общаться. Для этого ОС предоставляет механизмы IPC (Inter-Process Communication). Главные из них:

Каналы (pipes)

Канал — это однонаправленная труба: один процесс пишет в неё, другой читает. Именно так работает символ | в командной строке. Вывод одной команды становится вводом следующей:

ps -ef | grep python | wc -l
# ps пишет в канал -> grep читает и фильтрует -> wc считает строки

Разделяемая память

Самый быстрый IPC: два процесса отображают один и тот же физический участок памяти к себе. Запись одного сразу видна другому — копировать данные не нужно. Плата за скорость — нужно самим синхронизировать доступ (иначе гонки).

Сигналы

Сигнал — это как стук в дверь: короткое асинхронное уведомление. Когда вы нажимаете Ctrl+C, терминал шлёт процессу сигнал SIGINT («прервись»). Сигнал SIGKILL завершает процесс принудительно.

kill -SIGTERM 1234   # вежливо попросить процесс 1234 завершиться
kill -9 1234         # SIGKILL — завершить принудительно

Цена переключений в цифрах

Смоделируем, сколько времени теряется на переключения контекста при разной частоте переключений за 1 секунду.

switch_cost_us = 5      # одно переключение, микросекунды
second_us = 1_000_000   # 1 секунда в микросекундах

for switches in (100, 1000, 10000):
    overhead = switches * switch_cost_us
    percent = overhead / second_us * 100
    print(f"{switches:5} переключений/с -> накладные {overhead:7} мкс ({percent:.1f}% времени)")

Вывод:

  100 переключений/с -> накладные     500 мкс (0.1% времени)
 1000 переключений/с -> накладные    5000 мкс (0.5% времени)
10000 переключений/с -> накладные   50000 мкс (5.0% времени)

Видно: 100 переключений в секунду почти бесплатны, а 10000 уже «съедают» 5% процессора впустую. Поэтому планировщик не должен переключаться слишком часто.

Итог

• Переключение контекста сохраняет состояние одного процесса и грузит другой.
• Быстрое переключение создаёт иллюзию одновременной работы процессов.
• Это накладные расходы: страдают регистры, кэш и таблица страниц.
• IPC позволяет изолированным процессам общаться: каналы, разделяемая память, сигналы, сокеты.
• Слишком частые переключения вредят производительности.