CPU上下文切换

什么是CPU上下文切换

问题：一台单核linux主机，进程竞争CPU，竞争时候并没有运行进程，为什么会导致平均负载升高呢？
回答：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，但是同一个时间内多个任务并没有同时运行，是系统用很短时间在多个任务不断切换（上下文切换）给我们同时运行的假象，之所以平均负载升高是因为CPU 上下文切换需要在寄存器、内核栈以及虚拟内存等数据的保存和恢复上，过多的CPU上下文切换导致缩短进程真正运行的时间，导致系统的整体性能大幅下降，平均负载升高

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，然后加载下一个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。

• CPU寄存器：是CPU内置容量小，但是速度极快的内存
• 程序计数器：是用来存储CPU正在执行指令的位置，或者是执行下一条指令的位置

CPU上下文切换并不是只切换了CPU 寄存器的值。

下面介绍CPU根据不同任务切换的场景以及切换时候做的事情

• 进程上下文切换
• 线程上下文切换
• 中断上下文切换

进程和线程的区别

首先我们介绍下进程和线程的区别

• 进程是资源拥有的基本单元
• 线程是调度是基本单元

通过进程来请求系统资源，然后进程中的线程来调度执行任务

进程上下文切换

特权模式切换

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。

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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。

进程可以在用户空间运行为用户态，又可以在内核空间运行为内核态。

进程从用户态切换到内核态是通过系统调用来完成，该过程也是有CPU山下问切换的

1. 切换时先保存CPU寄存器中的用户态指令
2. 再重新更新内核态指令位置
3. 最后跳转到内核态运行内核任务
4. 当系统调用结束后需要恢复原来保存的用户态

一次系统调用中，其实发生了两次CPU上下文切换

系统调用：并不会涉及虚拟内存，等用户态的资源保存，也不会涉及切换进程

• 进程上下文切是指，一个进程切换到另一个进程
• 系统调用是一直在同一个进程中运行的切换

所以 系统调用一般称为特权模式切换，而不是上下文切换，但是系统调用中还是无法避免CPU上下文切换的

进程上下文切换介绍

进程上下文切是指，一个进程切换到另一个进程

所以进程上下文切换其实是比特权模式切换多了一步：在保存当前进程的内核状态和CPU寄存器之前，需要把用户态该进程的虚拟内存，栈等保存下来，然后加载下一个进程到内核态后，还需要刷新进程和虚拟内存和用户栈

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Linux 通过 TLB（Translation Lookaside Buffer）来管理虚拟内存到物理内存的映射关系。当虚拟内存更新后，TLB 也需要刷新，内存的访问也会随之变慢。特别是在多处理器系统上，缓存是被多个处理器共享的，刷新缓存不仅会影响当前处理器的进程，还会影响共享缓存的其他处理器的进程。

linux为每个CPU维护了一个就绪队列，按照优先级和等待CPU的时间排序，也就是优先级最高的和等待CPU时间最长的进程优先使用CPU

触发进程切换的场景

1. 为了保证进程得到公平的调度，CPU时间片，依次分配给每个进程，当一个某个进程时间片耗尽了，就会被挂起，切换到下一个进程。

2. 进程在系统资源不足时，需要等系统资源满足后才可以运行，这时候进程就会被挂起，并切换到其它进程。

3. 当进程通过睡眠函数 sleep 这样的方法将自己主动挂起时，也会切换到其它进程。

4. 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。

线程上下文切换

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，这些在上下文切换时也是需要保存的。

线程上下文切换分为两种

1. 一个进程下多个线程的切换，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。

2. 两个进程下的线程切换：线程分布在两个进程中，资源不共享，所以和进程切换相同

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，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

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

对同一个 CPU 来说，中断处理比进程拥有更高的优先级

总结

1. 特殊权限切换是在同一个进程内产生的CPU上下文切换。
2. 进程上下文切换会涉及CPU寄存器，虚拟内存，内核栈保存恢复操作，所以较多的进程上下文切换会导致切换时间都耗费在恢复资源，挂起资源中，减少进程运行时间，导致性能问题。
3. 同进程内线程上下文切换因为数据为共享的，所以只涉及私有数据、寄存器切换，不同进程中线程上下文切换和进程上下文切换相同。