非自愿上下文切换
非自愿上下文切换（Involuntary Context Switches）是操作系统在进程或线程没有主动请求放弃CPU的情况下，由于某些外部因素或系统策略，强制进行的上下文切换。这与自愿上下文切换相对，后者是进程或线程因为等待资源或主动让出CPU而触发的上下文切换。非自愿上下文切换主要发生在以下几种情况：
- 时间片耗尽：在抢占式多任务操作系统中，每个进程或线程被分配一个时间片来执行。如果在时间片结束前，进程或线程没有完成其任务，操作系统会强制中断其执行，保存当前的执行状态（上下文），然后切换到另一个就绪状态的进程或线程。
- 硬件中断：当硬件设备（如键盘、网络接口卡）产生中断请求时，操作系统需要立即响应这些中断，处理相应的中断服务程序。这可能导致当前执行的进程或线程被暂停，以处理更高优先级的中断服务。
- 页面错误（Page Fault）：当进程访问的内存页不在物理内存中时（例如，可能在交换空间或磁盘上），会发生页面错误。操作系统需要加载所需的内存页到物理内存中，这个过程中当前进程会被挂起，操作系统可能会切换到其他进程执行。
- 资源竞争：如果多个进程或线程竞争同一个资源（如I/O设备、锁等），操作系统可能会基于特定的调度策略，暂停某些进程的执行，以确保资源的合理分配。
非自愿上下文切换的影响
- 性能影响：频繁的非自愿上下文切换可能会对系统性能产生负面影响，因为上下文切换本身需要时间和资源，特别是当这些切换过于频繁时，会减少CPU用于实际计算的时间。
- 响应时间：非自愿上下文切换可能导致进程或线程的响应时间增加，特别是在高负载或资源竞争激烈的情况下。
监控和优化
系统管理员和开发者可以通过各种工具（如Linux的vmstat、pidstat）监控非自愿上下文切换的次数，以评估系统性能和确定可能的瓶颈。通过优化程序逻辑、减少资源竞争、调整操作系统的调度策略等方式，可以减少非自愿上下文切换的发生，从而提高系统的整体性能和稳定性。