操作系统在进行线程切换时，需要执行以下关键步骤：
1. 触发上下文切换的事件
- 中断：如时钟中断（时间片耗尽）、I/O完成中断等。
- 系统调用：线程主动请求阻塞（如等待I/O）。
- 资源竞争：线程因锁或信号量进入阻塞状态。
2. 保存当前线程的上下文
- 寄存器状态：保存程序计数器（PC）、堆栈指针（SP）、通用寄存器、状态寄存器（如EFLAGS）等到当前线程的线程控制块（TCB）。
- 扩展状态：保存浮点寄存器、向量寄存器（如SSE/AVX）等（若系统支持）。
- 内核栈指针：记录当前线程的内核栈位置，用于后续恢复。
3. 更新当前线程状态
- 将当前线程从运行状态改为就绪状态（时间片耗尽）或阻塞状态（等待资源）。
- 将其移入对应的队列（如就绪队列、阻塞队列）。
4. 调度新线程
- 调用调度器：根据调度算法（如轮转法、优先级调度）选择下一个运行的线程。
- 更新状态：将新线程标记为运行状态，并从队列中移出。
5. 恢复新线程的上下文
- 加载寄存器：从新线程的TCB中恢复PC、SP、通用寄存器等。
- 切换内核栈：将内核栈指针指向新线程的内核栈。
6. 更新系统状态
- 当前线程指针：更新内核数据结构（如
current_task）指向新线程。 - 内存管理：若切换跨进程（如不同进程的线程），需切换地址空间（如更新页表基址寄存器）。
7. 返回用户模式
- 恢复执行：通过
iret类指令返回到用户模式，从新线程的PC处继续执行。
8. 其他潜在操作
- 刷新TLB：仅跨进程切换时需要（同一进程内线程切换通常无需此操作）。
- 定时器重置：设置下一次时钟中断以管理时间片。
- 处理延迟状态：如延迟加载浮点寄存器（某些系统优化）。
关键区别：线程切换 vs 进程切换
- 地址空间：线程切换（同一进程内）无需切换地址空间；进程切换需切换页表。
- 资源开销：线程切换更快，因共享内存、文件等资源。
示例流程（x86架构）
1. 中断触发 → CPU跳转到内核中断处理程序。
2. 保存用户态寄存器到当前线程的内核栈。
3. 保存剩余寄存器到TCB，更新线程状态。
4. 调度器选择新线程，加载其TCB中的上下文。
5. 切换内核栈至新线程的内核栈。
6. 恢复新线程的寄存器，更新CR3（仅跨进程时）。
7. iret指令返回用户态，新线程开始执行。
总结
线程切换的核心是保存与恢复执行上下文，依赖TCB管理线程状态，通过调度器决策切换目标，并结合硬件机制高效完成。这一过程需兼顾性能与正确性，确保多任务并发执行的透明性。