Prosessivaihtelu

Prosessivaihtelu on käyttöjärjestelmän toiminto, jolla CPU vaihtaa yhdestä suorittavasta prosessista toiseen. Se on keskeinen osa moniajoa, jossa useat prosessit saavat CPU-aikaa vuorotellen. Vaihdot mahdollistavat järjestelmän reagoivuuden ja useamman tehtävän samanaikaisen etenemisen, mutta ne aiheuttavat myös latenssia, koska tilan tallentaminen ja seuraavan prosessin tilan palauttaminen vie aikaa.

Käytännössä kontekstivaihto tapahtuu, kun tarpeellinen vaihtuminen nousee esiin – esimerkiksi ajastin- tai I/O-keskeisistä keskeytyksistä, tai järjestelmäkutsusta. Prosessin tila tallennetaan sen hallintarakenteeseen, yleensä prosessi- tai tehtäväkontrolli-palikkiin (PCB tai vastaava). Tallennetaan muun muassa nykyiset rekisterit, ohjelman suhtautuvasija (PC), pinon osoitin (SP) sekä muistinhallintaan related tiedot. Tämän jälkeen nykyinen prosessi määritellään READY- tai BLOCKED-tilaan, scheduler valitsee seuraavan valmiin prosessin, ja sen tila ladataan rekistereihin sekä palautetaan muistinhallinta. Lopuksi ohjaus siirretään valitulle prosessoriprosessille, ja tämä prosessi alkaa suorittaa.

Prosessivaihtelun tyypit jakautuvat pääasiassa voluntaariin (cooperative) ja pakolliseen (preemptive) vaihtoon. Cooperative-vaihdot tapahtuvat, kun prosessi itse antaa CPU:n käytettäväksi toisen prosessin, kun taas preemptive-mallissa operointijärjestelmä voi keskeyttää prosessin ajastimen tai muiden tapahtumien perusteella. Nykyiset käyttöjärjestelmät, kuten Linux, Windows ja macOS, käyttävät suurimmaksi osaksi preemptive-monijakoa, mikä mahdollistaa paremman reagointikyvyn ja tasaisemman suorituskyvyn. Prosessivaihtelulla on vaikutuksia myös suorituskykyyn ja energiatehokkuuteen, sillä tilan tallentaminen, palauttaminen ja TLB- sekä välimuistiasetusten uudelleenkäynnistys lisäävät kustannuksia.