Em C, contexto é o estado atual de execução de um programa, incluindo registradores (pequenas áreas de armazenamento dentro da CPU, usadas para armazenar dados e instruções durante a execução de programas), variáveis e o fluxo de instruções, crucial para trocar tarefas.

Troca de contextos para sistemas operacionais

A principal função é permitir a multitarefa. Isso garante que o sistema possa alternar entre processos de forma eficiente.

Aqui foi disponibilizado o arquivo contexts.c. É um demonstrativo de como contextos funcionam.

Logo no topo desse arquivo, percebemos a importação da biblioteca ucontext.h. Ela permite manipular o contexto de execução.

No trecho abaixo vemos que são criados 3 contextos, e esses 3 contextos terão a memória alocada do tamanho de STACKSIZE.

#define STACKSIZE 64 * 1024 /* tamanho de pilha das threads */

ucontext_t ContextPing, ContextPong, ContextMain;

E logo depois, as funções Ping e Pong que serão executadas em seus respectivos contextos:

void BodyPing(void *arg)
{
  int i;

  printf("%s: inicio\n", (char *)arg);

  for (i = 0; i < 4; i++)
  {
    printf("%s: %d\n", (char *)arg, i);
    swapcontext(&ContextPing, &ContextPong);
  }
  printf("%s: fim\n", (char *)arg);

  swapcontext(&ContextPing, &ContextMain);
}

/*****************************************************/

void BodyPong(void *arg)
{
  int i;

  printf("%s: inicio\n", (char *)arg);

  for (i = 0; i < 4; i++)
  {
    printf("%s: %d\n", (char *)arg, i);
    swapcontext(&ContextPong, &ContextPing);
  }
  printf("%s: fim\n", (char *)arg);

  swapcontext(&ContextPong, &ContextMain);
}

/*****************************************************/

Na função main, é utilizado malloc para reservar as stacks, onde posteriormente são atribuidos com uc_stack.ss_sp ao contexto, e swapcontext é usado para alternar entre eles.

int main(int argc, char *argv[])
{
  char *stack;

  printf("main: inicio\n");

  getcontext(&ContextPing);

  stack = malloc(STACKSIZE);
  if (stack)
  {
    ContextPing.uc_stack.ss_sp = stack;
    ContextPing.uc_stack.ss_size = STACKSIZE;
    ContextPing.uc_stack.ss_flags = 0;
    ContextPing.uc_link = 0;
  }
  else
  {
    perror("Erro na criação da pilha: ");
    exit(1);
  }

  makecontext(&ContextPing, (void *)(*BodyPing), 1, "    Ping");

  getcontext(&ContextPong);

  stack = malloc(STACKSIZE);
  if (stack)
  {
    ContextPong.uc_stack.ss_sp = stack;
    ContextPong.uc_stack.ss_size = STACKSIZE;
    ContextPong.uc_stack.ss_flags = 0;
    ContextPong.uc_link = 0;
  }
  else
  {
    perror("Erro na criação da pilha: ");
    exit(1);
  }

  makecontext(&ContextPong, (void *)(*BodyPong), 1, "        Pong");

  swapcontext(&ContextMain, &ContextPing);
  swapcontext(&ContextMain, &ContextPong);

  printf("main: fim\n");

  exit(0);
}

Output do programa executado:

main: inicio
    Ping: inicio
    Ping: 0
        Pong: inicio
        Pong: 0
    Ping: 1
        Pong: 1
    Ping: 2
        Pong: 2
    Ping: 3
        Pong: 3
    Ping: fim
        Pong: fim
main: fim

Com isso, podemos perceber que mesmo alterando os contextos, os valores que "fluem" pela função são mantidos, um exemplo nesse caso é o índice do for.

Você deve ter percebido que existe um malloc para o contexto de Ping e de Pong, mas vemos que existe um contexto para main também, por qual motivo não existe um malloc para ele?

O ContextMain não precisa de uma stack separada porque ele opera na stack do thread principal, enquanto os contextos Ping e Pong têm suas próprias stacks alocadas dinamicamente.

Se crio um contexto e não aloco memória para ele, quando utilizamos o swap, ele vai para a stack principal do programa.

Esse código é do professor Maziero, encontrado no sub-projeto desenvolvido do PingPongOS "Trocas de Contexto".

Dia 21 e 22 - Entendendo contextos em C

Troca de contextos para sistemas operacionais