基本概念

CPU上下文

CPU 寄存器，是 CPU 内置的容量小、但速度极快的内存。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，必须依赖的环境。因此被叫做CPU的上下文。

CPU上下文切换

1）将前一个任务的CPU上下文保存起来；2）加载新任务的上下文；3）跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务。

目的：保证任务原来的状态不受影响，让任务看起来还是连续运行。

分类

进程上下文切换

触发场景：1）CPU时间片耗尽，进程被系统挂起，切换到其它正在等待CPU的进程运行；2）进程在系统资源不足时，要等到资源满足侯才可以运行，这个时候进程也会被挂起，并由系统调度其它进程运行；3）进程通过睡眠函数sleep主动将自己挂起，自然也会重新调度；4）当有优先级更高的进程运行时；5）发生硬件中断时，CPU上的进程也会被中断挂起，转而执行内核中的中断服务程序。

线程上下文切换

两种场景：1）前后两个线程属于不同进程。此时资源不共享，切换过程就跟进程上下文切换一样。2）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，虚拟内存这些资源保持不动，只需要切换线程的私有数据等不共享的数据。

中断上下文切换

为了快速响应硬件的时间，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。

对同一个CPU来说，中断处理比进程拥有更高的优先级。

自愿与非自愿上下文切换

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IO、内存等系统资源不足。

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。比如说大量进程都在争抢CPU时，就非常容易发生非自愿上下文切换。

应用总结

1、CPU上下文切换是保证linux洗正常工作的核心功能之一，一般情况下我们不需要特别关注；

2、但过多的上下文切换，会把CPU事件消耗在寄存器、内核栈一级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。

监控

step1：查看系统总体的上下文切换情况

#vmstat  5   详细使用见vmstat命令详解

step2：查看每个进程的上下文切换情况

#pidstat -w 5  详细使用见pidstat命令详解

step3：查看每个线程的上下文切换情况

#pidstat -wt 5

step4：查看中断情况

#watch -d cat /proc/interrupts

查看系统中断情况

过载经验值：这个数值取决于系统本身的CPU性能。如果系统的上下文切换次数比较稳定，那么从数百到1万以内都算正常，但是上下文切换次数超过1万次，或者切换次数出现数量级的增长时，就有可能出现了性能问题。

结果分析

1、自愿上下文切换变多，说明进程都在等待资源，有可能发生了IO问题；

2、非自愿上下文切换变多，说明进程都在被强制调用，也就是在争抢CPU，说明CPU成了瓶颈；

3、中断次数变多，说明CPU被中断处理程序占用，需要分析具体的中断类型来进一步定位。