Cambio de contexto

El tiempo de CPU como recurso compartido

Los sistemas operativos modernos hacen malabarismos con docenas o cientos de hilos activos.
Sólo existen unos pocos núcleos de CPU, por lo que la mayoría de los hilos esperan en colas mientras se ejecuta un pequeño subconjunto.

A cambio de contexto permite al programador pausar un hilo en ejecución y reanudar otro.
Esta rápida conmutación crea la ilusión de paralelismo y también da forma a lo que se ve más tarde dentro de los volcados de fallos.

Dentro del contexto de ejecución de un hilo

Cada hilo transporta algo más que código y datos.
También tiene un contexto de ejecución completo que el núcleo debe guardar y restaurar correctamente.

Ese contexto incluye:

• Registros e indicadores de propósito general de la CPU

• Puntero de instrucción y puntero de pila

• Registros de segmentos y registros de control cuando proceda

• Kernel y pilas de usuario, además de algunos metadatos del programador.

Cuando el núcleo abandona un hilo, debe registrar este estado.
Cuando el planificador vuelve a ese mismo hilo, restaura todo para que la ejecución continúe como si nada se hubiera detenido.

Pasos del núcleo durante un cambio de contexto

A bajo nivel, un cambio de contexto sigue una secuencia predecible.
Los detalles cambian de una arquitectura a otra, pero las acciones básicas siguen siendo similares.

1. El hilo en ejecución alcanza un punto de programación, como una interrupción del temporizador o una llamada al sistema bloqueante.

2. El núcleo guarda los registros de la CPU, los punteros de la pila y alguna información de control en la pila o bloque de control del núcleo del hilo.

3. El planificador elige el siguiente subproceso ejecutable en función de la prioridad, la equidad y la afinidad del procesador.

4. El kernel carga el contexto guardado para ese próximo hilo, incluyendo registros y punteros de pila.

5. El control vuelve al modo usuario o núcleo en el nuevo hilo, que continúa en su puntero de instrucción anterior.

Esta secuencia ocurre millones de veces por segundo en sistemas ocupados.
Cualquier error en estos pasos puede causar corrupción de datos, cuelgues o un fallo que produzca un archivo de volcado.

Activadores que provocan cambios de contexto

Los cambios de contexto no se producen aleatoriamente.
Surgen de eventos bien definidos dentro del SO y el hardware.

Desencadenantes comunes:

• El hilo en ejecución se bloquea en E/S, un bloqueo o un objeto de espera

• Una interrupción del temporizador de hardware indica que el hilo ha utilizado su intervalo de tiempo

• Un hilo de mayor prioridad está listo para ejecutarse

• El programador recibe una señal para reequilibrar el trabajo entre los núcleos

Los volcados de memoria capturan el hilo que se estaba ejecutando cuando se produjo una condición fatal o cuando el núcleo detectó una inconsistencia grave durante una de estas transiciones.

Crash Dumps y Thread States

Cuando Windows se encuentra con una comprobación de errores, congela la programación y escribe una instantánea de la memoria en el disco.
Esa instantánea suele incluir detalles sobre varios hilos y los contextos que causaron o detectaron el error.

Los vertederos de accidentes suelen registrar:

• El hilo activo en cada CPU en el momento del fallo

• Pilas del kernel que muestran qué funciones se ejecutaron justo antes del fallo

• Estructuras que describen las colas de espera y los estados de espera

Examinando esos hilos y sus últimos eventos de cambio de contexto, los analistas deducen qué controlador, llamada al sistema o acción del usuario contribuyó al fallo.

Consideraciones sobre rendimiento y fiabilidad

El cambio de contexto permite la multitarea, pero conlleva una sobrecarga.
El kernel debe moverse entre niveles de privilegio, vaciar o recargar algún estado de la CPU y alterar el contenido de la caché.

Demasiados cambios de contexto pueden:

• Aumentar el tiempo que la CPU pasa en el programador

• Deterioro de la localidad de la caché y el TLB

• Reducir el rendimiento de las aplicaciones de E/S intensivas

Inestable conductores o procesos de usuario que se comportan mal pueden crear patrones de conmutación extremos, que a veces aparecen en los volcados de memoria como largas pilas de operaciones de espera y activación.
En casos graves, los errores durante esas transiciones provocan corrupción de memoria o bloqueos.

Uso práctico de la información contextual en el análisis de vertederos