CPU-上下文切换篇

抛出一个问题：进程在竞争CPU的时候并没有真正运行，为什么还导致系统的负载升高？

Linux是一个多任务操作系统，支持大于CPU数量的任务同时运行，当然实际上并不是真的同时进行，而是操作系统在很短时间内将CPU轮流分配给它们，造成多任务同时运行的错觉。

2.1 上下文

每个任务运行前会有些依赖环境，这些环境就叫上下文，CPU需要知道任务从那里加载，又从哪里开始运行，这个工作需要操作系统预先设置好CPU寄存器和程序计数器

CPU寄存器：CPU内置的容量小、速度极快的内存。
程序计数器：存储CPU正在执行的指令位置、或即将执行下一条指令的位置。

2.2上下文切换

2.2.1 定义
把前一个任务的CPU上下文保存起来，然后加载新任务的上下文到寄存器和程序计数器，然后操作系统执行程序计数器指的新位置，运行新任务
保存下来的上下文辉存储在系统内核汇总，在任务重新调度执行时候再次加载，保证原来任务的状态不受影响，让任务看起来是连续运行的。

2.2.2 分类
问题：上下文切换无非是更新了CPU寄存器的值，为什么会影响系统的CPU性能呢？

回答这个问题之前，想一下操作系统的任务有哪些？进程任务、线程任务、中断任务
上下文切换分类：进程上下文切换、线程上下文切换、中断上下文切换

2.3 进程上下文切换

2.3.1 系统调用 — 特权模式的切换（涉及上下文切换）
进程运行空间分级：R0、R1、R2、R3
内核空间（R0）：具有最高的权限，进程运行在该空间才可以直接访问所有资源；此时进程处在内核态；
用户空间（R3）：只能访问受限资源，进程运行在该空间不能直接访问内存等硬件设备，必须经过系统调用陷入到内核中，才能访问这些特权资源；此时进程处在用户态；

用户态到内核态的转变，需要通过【系统调用】；
系统调用过程中发生了2次上下文切换。
第一次：从用户态切换到内核态，具体工作：CPU寄存器存储的用户态指令位置被保存，CPU寄存器更新为内核态指定的新位置，进程跳转到内核态中运行内核任务；
第二次：从内核态切换到用户态，具体工作：CPU寄存器更新为原来保存的用户态指定的位置，进程跳转到用户态中继续运行任务；
系统调用不涉及虚拟内存等进程用户态资源，也不回切换进程，这跟我们平时说的进程上下文切换是不一样的。
进程上下文切换，是指一个进程切换到另一个进程；
系统调用过程中一直是同一个进程在运行

2.3.2 进程上下文切换和系统调用有什么区别？
首先，进程的切换是由内核管理和调度的，进程的切换只发生在内核态，所以，进程的上下文切换不仅包括虚拟内存、栈、全局变量等用户空间资源，还包括内核堆栈、寄存器等内核空间资源的状态；
因此，进程的上下文切换比系统调用多了一步，在保存内核态堆栈、寄存器之前，需要把进程的虚拟内存、栈保存下来，加载下一进程的内核态后，还需要刷新虚拟内存和用户栈；

每次上下文切换都在几十纳米到几微秒的CPU时间，这个时间还是相当可观的，特别在上下文切换频繁的情况，很容易导致CPU将大量的运行时间花费在寄存器、内核栈、虚拟内存等资源的保存和恢复上，进而大大缩短了CPU真正运行的时间。

2.3.3 什么时候会发生进程切换上下文
进程需要调度的时候（PS，这不是废话嘛）
Linux为每个CPU都维护了一个就绪队列，将活跃的进程安装优先级和等待时间来排序，然后选择最需要CPU的进程，也就是优先级最高和等待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？

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时间片，这些时间片再被轮流分配给各个进程。
当某个进程的时间片耗尽了，就会被挂起，切换到其他正在等待CPU的进程运行；

其二：进程在系统资源不足时（内存资源不足），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：进程通过sleep这样的方法主动将自己挂起，也会重新调度；

其四：当有更高优先级进程运行时，为了保证高优先级进程的运行，当前进程会被挂起；

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。

这些场景很可能就是出现上下文切换性能问题的幕后元凶。

2.4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，进程是资源拥有的基本单位；
上面这句话还可以这么理解：
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。
另外线程也有自己私有的数据，比如线程栈和寄存器等，这些在上下文切换时候需要保存。

分两种情况：
第一种：切换的两个线程属于不同进程，此时因为资源不共享，所以切换过程跟进程上下文切换一样。

第二种：前后两个线程都属于同一个进程，此时虚拟内存是共享的，所以在切换时，只需切换线程私有数据、寄存器等不共享的数据。

因此线程上下文切换要比进程间的上下文切换消耗更少的资源，这也是多线程代替多进程的一个优势。

2.5 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。在打断进程时，需要将当前进程的状态保存，中断上下文，其实只包括内核态中断服务程序执行的必要状态，包括CPU寄存器、内核堆栈、硬件中断参数等。

中断处理比进程有更高的优先级。

中断次数过多，也会影响系统性能。