交換與上下文切換的區別

區別計算機科學作業系統

在計算機系統中，有多種技術和機制用於管理和最佳化程序和任務的執行。交換和上下文切換就是兩種這樣的技術。雖然它們都對提高系統性能和多工能力起作用，但它們的服務目的不同，在系統中的執行級別也不同。讓我們深入探討交換和上下文切換的區別。

什麼是交換？

交換是作業系統中用於有效管理記憶體資源的技術。它涉及將整個程序或其一部分從主記憶體（RAM）移動到輔助儲存器（例如硬碟）以及反向操作。交換的主要目的是釋放記憶體空間供其他程序使用，並允許系統容納比可用物理記憶體所能處理的更多的程序。

以下是關於交換的一些要點

定義：交換是指在主記憶體和輔助儲存器之間傳輸程序或程序段的過程。
目的：交換的主要目的是透過暫時將空閒或較少使用的程序移動到磁碟上來釋放RAM中的記憶體空間。這允許更多活躍的程序駐留在記憶體中，並保持系統的有效執行。
觸發器：當作業系統確定可用記憶體不足以容納所有活動程序時，通常會觸發交換。
粒度：交換涉及將整個程序進出記憶體，包括它們的程式碼、資料和堆疊段。
速度：與其他記憶體管理技術相比，交換操作相對較慢，因為它們需要磁碟I/O，這比從RAM訪問資料要慢。
頻率：交換髮生的頻率較低，因為它涉及移動整個程序，並且在系統處於記憶體壓力下時才會觸發。
永續性：交換出的程序在磁碟上保留其狀態，並在需要時可以調回到記憶體中，允許它們從中斷的地方恢復執行。

什麼是上下文切換？

上下文切換是一種機制，允許作業系統在多工環境中有效地在多個程序或執行緒之間切換。它涉及儲存正在執行程序的當前狀態（上下文），例如暫存器值、程式計數器和其他相關資訊，並載入不同程序的已儲存上下文以繼續其執行。

以下是關於上下文切換的一些要點

定義：上下文切換是指儲存和恢復程序或執行緒狀態的過程，以便多個程序可以共享CPU。
目的：上下文切換的主要目的是在計算機系統中實現多工和分時，允許多個程序或執行緒併發執行。
觸發器：上下文切換通常由諸如程序自願釋放CPU、來自I/O裝置的中斷或作業系統做出的排程決策等事件觸發。
粒度：上下文切換涉及儲存和恢復程序的執行上下文，其中包括其暫存器值、程式計數器、堆疊指標和其他相關資訊。
速度：上下文切換操作相對較快，因為它們涉及在CPU的暫存器和快取中儲存和恢復狀態，而不需要磁碟I/O。
頻率：上下文切換的頻率更高，因為作業系統在多個程序之間共享CPU，允許每個程序在切換到另一個程序之前執行一小段時間（時間片或量子）。
永續性：上下文切換不涉及將程序進出記憶體。相反，它專注於管理CPU中程序的狀態，允許它們無縫地恢復執行。

交換與上下文切換的區別

下表重點介紹了交換和上下文切換的區別

	交換	上下文切換
定義	將整個程序進出主記憶體的過程。	儲存和恢復程序狀態以便以後可以恢復它的過程
發生	當程序從主記憶體移動到輔助儲存器（例如硬碟）以釋放記憶體時發生。	當CPU從執行一個程序切換到另一個程序時發生。
目的	透過交換出非活動程序來有效地管理有限的物理記憶體。	允許多個程序有效地共享CPU並維護其各自的狀態。
觸發器	通常由作業系統在可用記憶體不足時觸發	通常由作業系統排程程式根據預定義的標準觸發（例如，時間片過期，更高優先順序的程序變為就緒）。
記憶體參與	涉及在主記憶體和輔助儲存器之間移動整個程序，包括其程式碼、資料和堆疊。	不涉及將程序進出記憶體，而是將CPU的執行上下文切換到不同的程序。
時間消耗	由於在記憶體和輔助儲存器之間移動大量資料，交換可能非常耗時	上下文切換相對較快，因為它只涉及儲存和恢復CPU暫存器和程式計數器。
頻率	交換頻率較低，通常在記憶體嚴重不足時發生。	根據排程演算法，上下文切換髮生頻率更高，因為CPU在程序之間切換。
對效能的影響	由於將程序移動到輔助儲存器和從輔助儲存器移動到記憶體的延遲，交換可能會對效能產生顯著影響。	上下文切換對效能的影響相對較小，但是頻繁的上下文切換可能會引入開銷。
程序參與	交換會影響整個程序，包括其程式碼、資料和堆疊。	上下文切換僅影響程序的執行上下文，例如CPU暫存器和程式計數器
執行連續性	交換會導致交換出程序的執行暫時停止，直到它被調回到主記憶體。	上下文切換允許透過在多個程序之間快速切換來無縫執行多個程序

結論

總之，交換主要關注有效的記憶體管理，在記憶體和儲存器之間移動程序，而上下文切換透過有效地在CPU中程序之間切換來促進多工處理，保留和恢復它們的執行上下文。這兩種技術都在最佳化計算機系統的效能和資源分配方面發揮著至關重要的作用。

Pradeep Kumar

更新於：2023年7月12日

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