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## 什么是 CPU 上下文
Linux 是一个多任务操作系统，它支持远大于 CPU 数量的任务同时运行。当然，这些任务实际上并不是真的在同时运行，而是因为系统在很短的时间内，将 CPU 轮流分配给它们，造成多任务同时运行的错觉。而在每个任务运行前，CPU 都需要知道任务从哪里加载、又从哪里开始运行，也就是说，需要系统事先帮它设置好 CPU 寄存器和程序计数器（Program Counter，PC）。
CPU 寄存器，是 CPU 内置的容量小、但速度极快的内存。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。
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。
## CPU 上下文切换分类
CPU 上下文切换，就是先把前一个任务的 CPU 上下文（也就是 CPU 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些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。
根据任务的不同，CPU 的上下文切换就可以分为 __进程上下文切换__、 __线程上下文切换__ 以及 __中断上下文切换__
#### 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，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 调用陷入到内核中，才能访问这些特权资源。
进程既可以在用户空间运行，又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。
系统调用的过程也会发生 CPU 上下文的切换
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__。
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一个进程运行。而系统调用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。
#### 进程在什么时候才会被调度到 CPU 上运行
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里，拿一个新的进程过来运行。其实还有很多其他场景，也会触发进程调度。
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，并由系统调度其他进程运行。
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。
最后一个，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。
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。
#### 线程上下文切换
__线程与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，可以认为进程就等于线程__。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，这些在上下文换时也是需要保存的。
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是一样。
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，
虚拟内存这些资源就保持不动，只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据。
虽然同为上下文切换，但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。
#### 中断上下文切换
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。
## 怎么查看系统的上下文切换情况
vmstat 是一个常用的系统性能分析工具，主要用来分析系统的内存使用情况，也常用来分 析 CPU 上下文切换和中断的次数。
下面就是一个 vmstat 的使用示例：
```
vmstat 5 #每隔 5 秒输出 1 组数据
```
```
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st
0 0 0 1293264 180568 2046324 0 0 0 5 2 8 1 0 99 0 0
```
结果含义说明
- cs（context switch）是每秒上下文切换的次数。
- in（interrupt）则是每秒中断的次数。
- r（Running or Runnable）是就绪队列的长度，也就是正在运行和等待 CPU 的进程数。
- b（Blocked）则是处于不可中断睡眠状态的进程数。
可以看到，这个例子中的上下文切换次数 cs 是 8 次，而系统中断次数 in 则是 2 次，而 就绪队列长度 r 和不可中断状态进程数 b 都是 0。
vmstat 只给出了系统总体的上下文切换情况，要想查看每个进程的详细情况，就需要使用我们前面提到过的 pidstat 了。给它加上 -w 选项，你就可以查看每个进程上下文切换的情况了。
示例：
```
pidstat -w 5 # 每隔 5 秒输出 1 组数据
```
```
Linux 4.4.0-142-generic (10-53-166-171) 07/07/2019 _x86_64_ (2 CPU)
04:05:53 PM UID PID cswch/s nvcswch/s Command
04:05:58 PM 0 1 1.80 0.00 systemd
04:05:58 PM 0 3 6.39 0.00 ksoftirqd/0
04:05:58 PM 0 7 33.33 0.00 rcu_sched
04:05:58 PM 0 9 0.40 0.00 migration/0
04:05:58 PM 0 10 0.20 0.00 watchdog/0
```
这个结果中有两列内容是我们的重点关注对象。一个是 cswch ，表示每秒自愿上下文切换 （voluntary context switches）的次数，另一个则是 nvcswch ，表示每秒非自愿上下文切换（non voluntary context switches）的次数。
这两个概念一定要牢牢记住，因为它们意味着不同的性能问题:
__自愿上下文切换__，是指进程无法获取所需资源，导致的上下文切换。比如说， I/O、内存等系统资源不足时，就会发生自愿上下文切换。
__非自愿上下文切换__，则是指进程由于时间片已到等原因，被系统强制调度，进而发生的上下文切换。比如说，大量进程都在争抢 CPU 时，就容易发生非自愿上下文切换。