Hvad koster et context switch egentlig, og hvorfor betyder det noget?

Question

IT Interview Practice · Accepted Answer

Et **context switch** er, når kernen gemmer den aktuelt kørende tråds CPU-tilstand (registre, program counter, stack pointer) og gendanner en anden tråds, så en enkelt core kan multiplexe mange tråde. Det sker ved hver scheduler-preemption, hvert blokerende syscall eller interrupt — og det er ikke gratis.

## Hvor omkostningen gemmer sig

```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
```

Den **direkte** omkostning er nogle få mikrosekunder. Den **indirekte** omkostning — en kold cache og TLB efter switchet — er ofte det største slag: den indkommende tråd kører langsomt et stykke tid, mens den genopvarmer sine caches fra hovedhukommelsen (titals til hundredvis af cyklusser per miss).

## Tråd- vs. proces-switch

At skifte mellem **tråde i samme proces** er billigere: de deler et adresserum, så page table'en (og TLB'en, på hardware uden tagged TLBs / PCIDs) behøver ikke ændre sig. At skifte **processer** genindlæser derudover page-table base register og flusher traditionelt TLB'en — hvilket er grunden til, at det koster mere.

## Hvorfor det betyder noget i praksis

- **For mange tråde** → scheduleren thrasher og bruger cyklusser på at skifte i stedet for at arbejde; efter et vist punkt *reducerer* flere tråde end cores throughput.
- Det er kerneargumentet for **async / event-loop**-modeller (Node, nginx, `io_uring`) og **goroutines / green threads**: håndtér mange forbindelser med få OS-tråde og undgå et switch per request.
- Det er grunden til, at **CPU pinning / affinity** hjælper latency-følsomme tjenester — hold en tråd på én core for at bevare dens varme cache.
- Et højt antal ufrivillige context-switches (synligt i `vmstat`, `pidstat`) er et klassisk symptom på lock contention eller CPU-oversubscription.

## Hvorfor det betyder noget

Dette er et spørgsmål på seniorniveau, fordi det adskiller dem, der kender *begrebet*, fra dem, der forstår *hvorfor* det er dyrt — og det reelle svar (cache-/TLB-forurening, ikke bare gemte registre) styrer arkitektoniske beslutninger: async I/O frem for thread-per-request, at dimensionere thread pools efter antal cores, og at bruge affinity. Det binder scheduling, virtuel hukommelse og CPU-caches sammen til én performance-historie.

Hvor omkostningen gemmer sig

Tråd- vs. proces-switch

Hvorfor det betyder noget i praksis

Hvorfor det betyder noget

Relaterede spørgsmål