Changement de contexte

Le temps de l'unité centrale comme ressource partagée

Les systèmes d'exploitation modernes jonglent avec des dizaines ou des centaines de fils actifs.
Il n'existe que quelques cœurs d'unité centrale, de sorte que la plupart des threads attendent dans des files d'attente tandis qu'un petit sous-ensemble s'exécute.

A changement de contexte permet au planificateur de mettre en pause un thread en cours d'exécution et d'en reprendre un autre.
Cette commutation rapide crée l'illusion du parallélisme et façonne également ce que vous verrez plus tard dans les crash dumps.

Dans le contexte d'exécution d'un thread

Chaque fil transporte plus que du code et des données.
Il dispose également d'un contexte d'exécution complet que le noyau doit sauvegarder et restaurer correctement.

Ce contexte comprend

• Registres et drapeaux à usage général de l'unité centrale

• Pointeur d'instruction et pointeur de pile

• Registres de segment et registres de contrôle, le cas échéant

• Piles du noyau et de l'utilisateur, plus quelques métadonnées de l'ordonnanceur

Lorsque le noyau s'éloigne d'un thread, il doit enregistrer cet état.
Lorsque le planificateur revient à ce même thread, il rétablit tout, de sorte que l'exécution se poursuit comme si rien ne s'était arrêté.

Mesures prises par le noyau lors d'un changement de contexte

À un niveau inférieur, un changement de contexte suit une séquence prévisible.
Les détails changent d'une architecture à l'autre, mais les actions de base restent similaires.

1. Le thread en cours d'exécution atteint un point d'ordonnancement, tel qu'une interruption de minuterie ou un appel système bloquant.

2. Le noyau enregistre les registres de l'unité centrale, les pointeurs de pile et certaines informations de contrôle dans la pile du noyau ou le bloc de contrôle du thread.

3. L'ordonnanceur choisit le prochain thread exécutable en fonction de la priorité, de l'équité et de l'affinité avec le processeur.

4. Le noyau charge le contexte sauvegardé pour le prochain thread, y compris les registres et les pointeurs de pile.

5. Le contrôle revient au mode utilisateur ou au mode noyau dans le nouveau thread, qui continue à son pointeur d'instruction précédent.

Cette séquence se produit des millions de fois par seconde sur des systèmes très sollicités.
Toute erreur dans ces étapes peut entraîner une corruption des données, des blocages ou une panne produisant un fichier dump.

Déclencheurs de changement de contexte

Les changements de contexte ne se produisent pas de manière aléatoire.
Ils résultent d'événements bien définis au sein du système d'exploitation et du matériel.

Déclencheurs courants :

• Le fil conducteur se bloque sur E/S, un verrou ou un objet d'attente

• Une interruption de la minuterie matérielle indique que le thread a utilisé sa tranche de temps.

• Un thread de priorité supérieure devient prêt à fonctionner

• Le planificateur reçoit un signal pour rééquilibrer le travail entre les cœurs.

Les vidages de crashs capturent le thread qui s'est exécuté lorsqu'une condition fatale s'est produite ou lorsque le noyau a détecté une incohérence grave au cours de l'une de ces transitions.

Crash Dumps et Thread States

Lorsque Windows se heurte à une vérification de bogue, il gèle la programmation et enregistre un instantané de la mémoire sur le disque.
Cet instantané comprend généralement des détails sur plusieurs threads et sur les contextes qui ont causé ou détecté l'erreur.

Les crash dumps sont généralement enregistrés :

• Fil de discussion actif sur chaque unité centrale au moment de la défaillance

• Les piles du noyau qui montrent quelles fonctions ont été exécutées juste avant le crash.

• Structures décrivant les files d'attente et les états d'attente

En examinant ces threads et leurs derniers événements de changement de contexte, les analystes déduisent quel pilote, appel système ou action de l'utilisateur a contribué à la défaillance.

Considérations relatives aux performances et à la fiabilité

La commutation de contexte permet le multitâche mais entraîne des frais généraux.
Le noyau doit passer d'un niveau de privilège à l'autre, vidanger ou recharger certains états de l'unité centrale et perturber le contenu de la mémoire cache.

Un trop grand nombre de changements de contexte peut le faire :

• Augmenter le temps passé par l'unité centrale dans l'ordonnanceur

• Hurt cache et TLB locality

• Réduire le débit des applications à forte intensité d'E/S

Instable conducteurs ou des processus utilisateurs malveillants peuvent créer des schémas de commutation extrêmes, qui apparaissent parfois dans les fichiers de crash sous la forme de longues piles d'opérations d'attente et de réveil.
Dans les cas les plus graves, les bogues survenant au cours de ces transitions entraînent une corruption de la mémoire ou des blocages.

Utilisation pratique des informations contextuelles lors de l'analyse des vidanges