Troca de contexto

Em computação, uma troca de contexto é o processo de armazenar o estado de um processo ou thread, de forma que ele possa ser restaurado e a execução retomada posteriormente, e então restaurar um estado diferente, previamente salvo. Isso permite que múltiplos processos compartilhem uma única unidade central de processamento (CPU) e é uma característica essencial de um sistema operacional multiprogramável ou multitarefa. Em uma CPU tradicional, cada processo um programa em execução usa os vários registradores da CPU para armazenar dados e manter o estado atual do processo em execução. No entanto, em um sistema operacional multitarefa, o sistema operacional alterna entre processos ou threads para permitir a execução simultânea de múltiplos processos. Para cada troca, o sistema operacional deve salvar o estado do processo em execução e, em seguida, carregar o estado do próximo processo que será executado na CPU. Essa sequência de operações que armazena o estado do processo em execução e carrega o próximo processo em execução é chamada de troca de contexto.

O significado preciso da expressão "troca de contexto" varia. Em um contexto multitarefa, refere-se ao processo de armazenar o estado do sistema para uma tarefa, permitindo que essa tarefa seja pausada e outra retomada. Uma troca de contexto também pode ocorrer como resultado de uma interrupção, como quando uma tarefa precisa acessar o armazenamento em disco, liberando tempo de CPU para outras tarefas. Alguns sistemas operacionais também exigem uma troca de contexto para alternar entre tarefas em modo usuário e em modo kernel. O processo de troca de contexto pode ter um impacto negativo no desempenho do sistema.

Custo

As trocas de contexto geralmente exigem alto poder computacional, e grande parte do projeto de sistemas operacionais visa otimizar seu uso. A transição entre processos requer um certo tempo para a administração. Salvar e carregar registradores e mapas de memória, atualizar várias tabelas e listas, etc. O que está realmente envolvido em uma troca de contexto depende das arquiteturas, dos sistemas operacionais e da quantidade de recursos compartilhados (threads que pertencem ao mesmo processo compartilham muitos recursos em comparação com processos não relacionados e não cooperativos).

Por exemplo, no kernel do Linux, a troca de contexto envolve o carregamento do bloco de controle de processo (PCB) correspondente, armazenado na tabela PCB na pilha do kernel, para recuperar informações sobre o estado do novo processo. As informações de estado da CPU, incluindo os registradores, o ponteiro de pilha e o contador de programa, bem como informações de gerenciamento de memória, como tabelas de segmentação e tabelas de páginas (a menos que o processo antigo compartilhe a memória com o novo), são carregadas do PCB para o novo processo. Para evitar traduções de endereço incorretas no caso de os processos anterior e atual utilizarem memórias diferentes, o buffer de tradução antecipada (TLB) deve ser limpo. Isso afeta negativamente o desempenho, pois cada referência de memória ao TLB resultará em uma falha, uma vez que ele estará vazio após a maioria das trocas de contexto.

Notas e referências

Ligações externas

• Troca de contexto em OSDev.org
• Definição de troca de contexto pelo Linux Information Project (LINFO)
• Trocas de contexto da Microsoft Developer Network (MSDN)
• Arquitetura e Design Geral - Tratamento de Interrupções em FreeBSD.org
• Troca de contexto do sistema operacional - Computerphile