在操作系統中，線程切換相比進程切換更輕量級的關鍵原因之一是 緩存（Cache）的有效性，尤其是對 CPU 緩存（如 L1/L2/L3）和 TLB（Translation Lookaside Buffer）的影響。以下從緩存角度詳細分析這一差異：

---

1. 地址空間與 TLB 的影響

• 進程切換：
  • 進程擁有獨立的虛擬地址空間，切換時需要 切換頁表（Page Table），導致 TLB 被刷新或失效。
  • TLB 是緩存虛擬地址到物理地址映射的硬件組件，失效后需要重新加載映射條目，增加內存訪問延遲。
• 線程切換：
  • 線程共享進程的地址空間，切換時無需切換頁表，TLB 條目保持有效。
  • 減少因 TLB 失效導致的性能損失，內存訪問效率更高。

---

2. CPU 緩存的局部性保留

• 進程切換：
  • 進程間數據隔離，新進程的代碼和數據與舊進程的緩存內容（如 L1/L2/L3）無重疊。
  • 緩存中舊進程的數據對新進程無用，導致 緩存冷啟動（Cache Cold Start），需重新加載數據到緩存，增加延遲。
• 線程切換：
  • 線程共享進程的代碼段、數據段和堆內存，切換后新線程訪問的代碼和數據 可能仍在緩存中（尤其是共享的 L3 緩存）。
  • 緩存命中率更高，減少訪問主存的次數，降低延遲。

---

3. 上下文切換的數據量差異

• 進程切換：
  • 需要保存和恢復 完整的上下文，包括寄存器狀態、頁表指針、文件描述符表、信號處理表等。
  • 上下文數據量大，切換時需 頻繁讀寫內存，對緩存造成壓力。
• 線程切換：
  • 僅需保存和恢復 線程獨有資源（如棧指針、寄存器狀態、線程本地存儲）。
  • 共享的資源（如內存、文件描述符）無需切換，數據量更小，對緩存更友好。

---

4. 緩存一致性協議的影響

• 多核 CPU 中，不同線程可能運行在不同核心上：
  • 進程切換：
    • 若新進程的線程被調度到不同核心，原核心的緩存數據無法復用，需通過緩存一致性協議（如 MESI）同步或重新加載，增加總線流量。
  • 線程切換：
    • 同一進程的線程共享數據，即使跨核心調度，其他核心的 L3 緩存可能已緩存共享數據，減少數據同步開銷。

---

5. 寫時復制（Copy-on-Write）的優化

• 進程創建：
  • fork() 使用寫時復制技術，父子進程共享內存直到發生寫入操作。雖然減少了內存拷貝，但首次寫入會觸發頁復制，可能 污染緩存（新頁需要加載到緩存）。
• 線程創建：
  • 線程直接共享進程內存，無寫時復制開銷，緩存內容保持連貫性。

---

6. 實際性能對比

通過實驗可以觀察到以下現象：

1. 緩存局部性優勢：
   • 線程切換后，若新線程訪問的數據與舊線程有重疊（如共享的全局變量），緩存命中率顯著高于進程切換。
2. TLB 未命中率：
   • 進程切換后，TLB 未命中率可能驟增（需重新加載頁表條目），而線程切換的 TLB 未命中率幾乎不變。

---

總結

線程切換更輕量級的本質在于 緩存和 TLB 的有效性保留：

1. 共享地址空間：避免 TLB 刷新和頁表切換，減少內存訪問延遲。
2. 緩存局部性保留：共享數據可能已緩存在 L3 或跨核緩存中，減少冷啟動開銷。
3. 上下文數據量小：減少對緩存的污染和內存帶寬的占用。

因此，在高并發場景（如 Web 服務器、數據庫）中，線程的輕量級切換特性使其更適合作為并發的基本單位，尤其在多核 CPU 和緩存層次結構復雜的現代計算機中，優勢更加顯著。