1.前言：
cpu的上下文切换一般多出现在多个进程竞争cpu的情景
2.CPU的上下文切换：
2.1介绍：
进程在竞争 CPU 的时候并没有真正运行，为什么还会导致系统的负载升高呢？ 答案在于：CPU 上下文切换就是罪魁祸首。
Linux 是一个多任务操作系统，它支持远大于 CPU 数量的任务(通常所说的后台进程)同时运行，但是，这并不意味这这些任务会在同一时刻就一起运行，而是系统会在很短的时间内将cpu轮流地分配给它们就行使用。造成多任务同时运行的错觉。
这里在运行每个运行任务前，cpu需要知道任务需要从哪里加载，又从哪里开始运行，也就是说需要系统事先先帮他设置好cpu的寄存器和程序计数器(Program Counter)
cpu寄存器，是cpu内置的容量小、但是速度极快的内存。而程序计数器，则是用来存储cpu正在执行的指令位置，或者即将执行的下一条指令的位置，它们都是cpu在运行任何任务前，必须的依赖环境，因此也被叫做cpu上下文。
因此，我们可以这样理解CPU上文切换，cpu上下文切换，就是先把一个任务的CPU上下文(也就是cpu的寄存器和程序计数器)保存起来，然后加载新任务的上下文到这个寄存器和程序计数器
，最后再跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务。
而这些保存下来的上下文，会存储在系统内核中，并在任务重新调度执行时再次加载起来。这样就能保证任务原来的状态不受影响，让任务看起来哈市连续运行。
这样看起来cpu上下文切换就是更新cpu寄存器的值，本身是为了快速运行任务而设计的，但是为什么会影响cpu的性能呢？
这是因为任务除了有进程和线程外，还有一种硬件通过触发信号，导致中断处理程序的调用，这也是一种常见的任务。
所以，根据任务的不同，CPU的上下文切换就可以分为几种不同的场景，也就是进程上下文切换、线程上下文切换、以及中断上下文切换。
2.2进程上下文切换
Linux按照特权等级，把进程的运行空间分为内核空间和用户空间，分别对应着下图中，cpu特权等级的Ring 0 和Ring 3.
- 内核空间(Ring 0)具有最高权限，可以直接访问所有资源
- 用户空间(Ring 3)只能访问受限资源，不能直接访问内存等硬件设备，必须通过系统条用陷入到内核中，才能访问这些特权资源。
也就说进程既可以在用户空间运行，也可以在内核空间中运行，进程在用户空间运行时，被称为进程的用户态，而陷入内核空间的时候，被称为进程的内核态。
从用户态到内核态的转变，需要通过系统调用来完成。比如，当我们查看文件内容时，就需要多次系统调用来完成：首先调用open()打开文件，然后调用read()读取文件内容，并调用write()将内容写到标准输出，最后再调用close()关闭文件。
那么，系统调用的过程有没有发生cpu上下文的切换呢？--->答案自然是有的
cpu寄存器里原来用户态的指令位置，需要先保存起来，接着，为了执行内核态代码，cpu寄存器需要更新为内核态指令的新位置，最后才是跳转到内核态运行内核任务。
而系统调用结束后，cpu寄存器需要恢复原来保存的用户态，然后再切换到用户空间，继续运行进程。所以，一次系统调用的过程，其实是发生了两次cpu上下文切换。
不过，需要注意的是，系统调用过程中，并不会涉及到虚拟内存等进程用户态的资源，也不会切换进程。这跟我们通常所说的进程上下文切换是不一样的:
- 进程上下文切换，是指从一个进程切换到另外一个进程运行。
- 而系统调用的过程中一直是同一个进程在运行。
所以，系统调用过程通常称为特权模式切换，而不是上下文切换。但实际上，系统调用过程中，cpu的上下文切换还是无法避免的。
那么，进程上下文切换系统调用有什么区别呢？
首先，你需要知道，进程是由内核来管理和调度的，进程的切换只能发生在内核态。所以，进程的上下文不仅包括了虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源，还包括内核栈、寄存器等内核空间的状态。
因此，进程的上下文切换就比系统调用时多了一步:在保存当前进程的内核状态和cpu寄存器之前，需要先把该进程的虚拟内存、栈等保存下来；而加载了下一进程的内核态后，还需要刷新进程的虚拟内存和用户栈。
如下图所示，保存上下文和恢复上下文的过程并不是’免费‘的，需要内核在cpu上运行才能完成。
根据TSuna的测试报告，每次上下文切换都需要几十纳秒到数微妙的cpu时间。这个时间还是相当可观的，特别是在进程上下文切换次数较多的情况下，很容易导致cpu将大量时间耗费在寄存器、内核栈以及虚拟内存等资源的保存和恢复上，进而大大缩短了真正运行进程的时间。这也正是上一节中我们所讲的，导致平均负载升高的一个重要因素。
这里我们知道了进程上下文切换潜在的性能问题后，我们再来看看，究竟什么时候会切换进程上下文。
显然，进程切换时才需要切换上下文，换句话说，只有在进程调度的时候，才需要切换上下文，Linux为每个cpu都维护了一个就绪队列，将活跃进程(即正在运行和正在等待cpu的进程)按照优先级和等待cpu的时间排序，然后选择最需要cpu的进程，也就是优先级最高和等待cpu时间最长的进程来运行。
那么，进程在什么时候才会被调度到cpu上运行呢？
最容易想到的一个时机，就是进程执行完终止了，它之前使用的cpu会释放出来，这个时候再从就绪队列中，拿一个新的进程过来运行
上下文切换情景：
- 其一，为了保证所有进程可以得到公平调度，cpu时间被划分为一段段的时间片，这些时间片再被轮流分配给各个进程。这样，当某个进程的时间片耗尽了，就会被系统挂起，切换到其它正在等待cpu的进程运行。
- 其二，进程在系统资源不足(比如内存不足)时，要等到资源满足后才可以运行，这个时候进程也会被挂起，并由系统调度其它进程运行。
- 其三，当进程通过睡眠函数sleep这样的方法将自己主动挂起时，自然也会重新调度。
- 其四，当有优先级更高的进程运行时，为了保证高优先级进程的运行，当前进程会被挂起，由高优先级进程来运行。
- 其五。发生硬件中断时，cpu上的进程会被中断挂起，转而执行内核中的中断服务程序。
因此，了解这几个场景是非常有必要的，因为一旦出现上下文切换的性能问题，它们就是幕后凶手。
2.3 线程上下文切换
线程和进程最大的区别在于，线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位。说白了，所谓内核中的任务调度，实际上的调度对象是线程，而进程只是给线程提供了虚拟内存、全局变量等资源。所以，对于线程和进程，我们可以这么理解：
- 当进程只有一个线程时，可以进程就等于线程
- 当进程拥有多个线程时，这些线程会共享相同的虚拟内存和全局变量等资源。这些资源在上下文切换时是不需要修改的。
- 另外，线程也有自己的私有数据，比如栈和寄存器等，这些在上下文切换时也是需要保存的。
这样一来，线程的上下文切换其实就可以分为两种情况：
第一种，前后两个线程属于不同进程，此时，因为资源不共享，所以切换过程就跟进程上下文切换时一样
第二种，前后两个线程属于同一个进程，此时，因为虚拟内存是共享的，所以在切换时，虚拟内存这个资源就保持不动，只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享数据。
因此，同为上下文切换，但是同进程内的线程切换，要比多进程间的切换消耗更少的资源，而这，也正是多线程代替多进程的一个优势。
2.4 中断上下文切换
除了前面两种上下文切换，还有一个场景也会切换cpu上下文，那就是中断。
为了快速响应硬件的事件，中断处理会打断进程的正常调度和执行，转而调用中断处理程序，响应设备事件。而在打断其他进程时，就需要将进程当前的状态保存下来，这样在中断结束后，进程仍然可以从原来的状态恢复运行。
跟进程上下文不同，中断上下文切换并不涉及到进程的用户态。所以，即便中断过程打断了一个正处在用户态的进程，也不需要保存和恢复这个进程的虚拟内存、全局变量等用户态资源。中断上下文，其实只包括内核态中断服务程序执行所必需的状态，包括 CPU 寄存器、内核堆栈、硬件中断参数等。
对同一个 CPU 来说，中断处理比进程拥有更高的优先级，所以中断上下文切换并不会与进程上下文切换同时发生。同样道理，由于中断会打断正常进程的调度和执行，所以大部分中断处理程序都短小精悍，以便尽可能快的执行结束。
另外，跟进程上下文切换一样，中断上下文切换也需要消耗 CPU，切换次数过多也会耗费大量的 CPU，甚至严重降低系统的整体性能。所以，当你发现中断次数过多时，就需要注意去排查它是否会给你的系统带来严重的性能问题。
3.小结：
总结一下，不管是哪种场景导致的上下文切换，你都应该知道：
- CPU 上下文切换，是保证 Linux 系统正常工作的核心功能之一，一般情况下不需要我们特别关注
- 但过多的上下文切换，会把 CPU 时间消耗在寄存器、内核栈以及虚拟内存等数据的保存和恢复上，从而缩短进程真正运行的时间，导致系统的整体性能大幅下降。