cpu上下文切换

cpu上下文切换，就是先把前一个任务的cpu上下文（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上下文切换可以分为几个不同的场景，也就是进程上下文切换、线程上下文切换以及中断上线文切换。

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，分别对应着下图汇总，cpu特权等级的Ring0和Ring3

• 内核空间：具有最高权限，可以直接访问所有资源

• 用户空间：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
  

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  换个角度说，进程既可以在用户空间运行，又可以在内核空间运行。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，被称为进程内核态。从用户态到内核态的转变，是一个系统调用的过程，通常被称为特权模式切换。

• 系统调用和进程上下文切换区别：首先，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；所以进程的上线文不仅包括虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源，还包括内核堆栈、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。

• 哪些场景会处罚进程调度：

1、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；这样某个进程的时间片耗尽了，就会被系统挂起，切换到其他正在等待cpu的进程运行
2、进程在系统资源不足（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
3、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。
4、当有优先级更高的进程运行时，为了保证高优先级的运行，当前进程会被挂起，由高优先级进程来运行
5、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

了解这几个场景非常有必要，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

线程和进程的最大区别在于，线程是调度的基本单位，而进程是资源拥有的基本单位；所谓内核汇总的任务调度，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。
我们可以这么理解：

1、当进程只有一个线程时，可以认为进程就等于线程
2、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。
所以线程的上下文切换分为两种情况：

1、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的
2、前后两个线程属于同一个进程。此时，因为虚拟内存和全局变量是共享的，所以在切换时，虚拟内容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。就会消耗更少的资源，而这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，响应设备时间。而在打断其进程时，就需要将进程的当前状态保存下来，这样在中断结束后，进程仍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须的状态，包括cpu寄存器，内核堆栈、硬件终端参数等

对同一个cpu来说，终端处理比进程拥有更高的优先级，所以终端上下文切换并不会与进程上下文切换同时发生。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。

总结

1. 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
2. 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