Co vlastně stojí přepnutí kontextu (context switch) a proč na tom záleží?

Question

IT Interview Practice · Accepted Answer

**Context switch** (přepnutí kontextu) je uložení stavu CPU aktuálně běžícího vlákna (registry, program counter, stack pointer) kernelem a obnovení stavu jiného vlákna, aby jedno jádro mohlo multiplexovat mnoho vláken. Děje se při každé preempci scheduleru, blokujícím syscallu nebo přerušení — a není zadarmo.

## Kde se cena skrývá

```text
DIRECT cost (visible, ~1–5 µs):
  save/restore registers · run scheduler logic · switch kernel stacks
  if PROCESS switch: also swap page tables (CR3) → FLUSHES the TLB

INDIRECT cost (often much larger):
  cold CPU CACHES → the new thread's data isn't in L1/L2/L3 → cache misses to RAM
  cold TLB        → address translations must be re-walked
  lost pipeline / branch-predictor state
```

**Přímá** cena jsou jednotky mikrosekund. **Nepřímá** cena — studená cache a TLB po přepnutí — je často větší ránou: příchozí vlákno chvíli běží pomalu, než si znovu zahřeje cache z hlavní paměti (desítky až stovky cyklů na jeden miss).

## Přepnutí vlákna vs procesu

Přepínání mezi **vlákny téhož procesu** je levnější: sdílejí adresní prostor, takže page table (a TLB, na hardwaru bez tagovaných TLB / PCID) se nemusí měnit. Přepnutí **procesů** navíc znovu načte bázový registr page table a tradičně vyprázdní (flush) TLB — proto stojí víc.

## Proč na tom záleží v praxi

- **Příliš mnoho vláken** → scheduler thrashuje a tráví cykly přepínáním místo prací; za jistou hranicí víc vláken než jader throughput *snižuje*.
- Je to hlavní argument pro modely **async / event-loop** (Node, nginx, `io_uring`) a **goroutines / green threads**: obsloužit mnoho spojení s málo OS vlákny a vyhnout se přepnutí na každý požadavek.
- Proto **CPU pinning / affinity** pomáhá službám citlivým na latenci — udržet vlákno na jednom jádře zachová jeho zahřátou cache.
- Vysoký počet nedobrovolných (involuntary) context switchů (viditelný ve `vmstat`, `pidstat`) je klasickým příznakem lock contention nebo přetížení CPU (oversubscription).

## Proč je to důležité

Tohle je otázka na úrovni senior, protože odděluje lidi, kteří znají *pojem*, od těch, kdo chápou, *proč* je nákladný — a skutečná odpověď (znečištění cache/TLB, nejen ukládání registrů) řídí architektonická rozhodnutí: async I/O místo thread-per-request, správné dimenzování thread poolů podle počtu jader a použití affinity. Spojuje scheduling, virtuální paměť a CPU cache do jednoho výkonového příběhu.

Kde se cena skrývá

Přepnutí vlákna vs procesu

Proč na tom záleží v praxi

Proč je to důležité

Související otázky