Linux 是一個多任務(wù)操作系統(tǒng)蠕趁，它支持遠大于 CPU 數(shù)量的任務(wù)同時運行娜搂。當然迁霎，這些任務(wù)實際上并不是真的在同時運行，而是因為系統(tǒng)在很短的時間內(nèi)百宇，將 CPU 輪流分配給它們考廉，造成多任務(wù)同時運行的錯覺。
而在每個任務(wù)運行前携御，CPU 都需要知道任務(wù)從哪里加載昌粤、又從哪里開始運行，也就是說啄刹，需要系統(tǒng)事先幫它設(shè)置好 CPU 寄存器和程序計數(shù)器（Program Counter婚苹，PC）。
CPU 寄存器鸵膏，是 CPU 內(nèi)置的容量小膊升、但速度極快的內(nèi)存。而程序計數(shù)器谭企，則是用來存儲 CPU 正在執(zhí)行的指令位置廓译、或者即將執(zhí)行的下一條指令位置。它們都是 CPU 在運行任何任務(wù)前债查，必須的依賴環(huán)境非区，因此也被叫做 CPU 上下文。
知道了什么是 CPU 上下文盹廷，我想你也很容易理解 CPU 上下文切換征绸。CPU 上下文切換，就是先把前一個任務(wù)的 CPU 上下文（也就是 CPU 寄存器和程序計數(shù)器）保存起來俄占，然后加載新任務(wù)的上下文到這些寄存器和程序計數(shù)器管怠，最后再跳轉(zhuǎn)到程序計數(shù)器所指的新位置，運行新任務(wù)缸榄。
而這些保存下來的上下文渤弛，會存儲在系統(tǒng)內(nèi)核中，并在任務(wù)重新調(diào)度執(zhí)行時再次加載進來甚带。這樣就能保證任務(wù)原來的狀態(tài)不受影響她肯，讓任務(wù)看起來還是連續(xù)運行佳头。
我猜肯定會有人說，CPU 上下文切換無非就是更新了 CPU 寄存器的值嘛晴氨，但這些寄存器康嘉，本身就是為了快速運行任務(wù)而設(shè)計的，為什么會影響系統(tǒng)的 CPU 性能呢亭珍？
在回答這個問題前块蚌，不知道你有沒有想過膘格，操作系統(tǒng)管理的這些“任務(wù)”到底是什么呢财松？
也許你會說辆毡，任務(wù)就是進程舶掖，或者說任務(wù)就是線程。是的主慰，進程和線程正是最常見的任務(wù)共螺。但是除此之外情竹，還有沒有其他的任務(wù)呢？
不要忘了雏蛮，硬件通過觸發(fā)信號底扳，會導(dǎo)致中斷處理程序的調(diào)用衷模，也是一種常見的任務(wù)。
所以阱冶，根據(jù)任務(wù)的不同木蹬，CPU 的上下文切換就可以分為幾個不同的場景镊叁，也就是進程上下文切換、線程上下文切換以及中斷上下文切換疤苹。
這節(jié)課我就帶你來看看卧土，怎么理解這幾個不同的上下文切換尤莺，以及它們?yōu)槭裁磿l(fā) CPU 性能相關(guān)問題生棍。
進程上下文切換
Linux 按照特權(quán)等級涂滴，把進程的運行空間分為內(nèi)核空間和用戶空間氢妈，分別對應(yīng)著下圖中首量， CPU 特權(quán)等級的 Ring 0 和 Ring 3。
- 內(nèi)核空間（Ring 0）具有最高權(quán)限鸭叙，可以直接訪問所有資源沈贝；
- 用戶空間（Ring 3）只能訪問受限資源勋乾，不能直接訪問內(nèi)存等硬件設(shè)備，必須通過系統(tǒng)調(diào)用陷入到內(nèi)核中学歧，才能訪問這些特權(quán)資源。
換個角度看袁铐，也就是說剔桨，進程既可以在用戶空間運行洒缀，又可以在內(nèi)核空間中運行帝洪。進程在用戶空間運行時脚猾，被稱為進程的用戶態(tài)龙助，而陷入內(nèi)核空間的時候提鸟，被稱為進程的內(nèi)核態(tài)称勋。
從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的轉(zhuǎn)變涯竟，需要通過系統(tǒng)調(diào)用來完成庐船。比如筐钟，當我們查看文件內(nèi)容時，就需要多次系統(tǒng)調(diào)用來完成：首先調(diào)用 open() 打開文件李破，然后調(diào)用 read() 讀取文件內(nèi)容嗤攻，并調(diào)用 write() 將內(nèi)容寫到標準輸出狱庇，最后再調(diào)用 close() 關(guān)閉文件恶耽。
那么偷俭，系統(tǒng)調(diào)用的過程有沒有發(fā)生 CPU 上下文的切換呢？答案自然是肯定的淹遵。
CPU 寄存器里原來用戶態(tài)的指令位置透揣，需要先保存起來川抡。接著崖堤，為了執(zhí)行內(nèi)核態(tài)代碼密幔，CPU 寄存器需要更新為內(nèi)核態(tài)指令的新位置胯甩。最后才是跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核態(tài)運行內(nèi)核任務(wù)蜡豹。
而系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束后镜廉，CPU 寄存器需要恢復(fù)原來保存的用戶態(tài)，然后再切換到用戶空間寂玲，繼續(xù)運行進程梗摇。所以断序，一次系統(tǒng)調(diào)用的過程，其實是發(fā)生了兩次 CPU 上下文切換糜烹。
不過违诗，需要注意的是，系統(tǒng)調(diào)用過程中疮蹦，并不會涉及到虛擬內(nèi)存等進程用戶態(tài)的資源诸迟，也不會切換進程。這跟我們通常所說的進程上下文切換是不一樣的：
- 進程上下文切換愕乎，是指從一個進程切換到另一個進程運行阵苇。
- 而系統(tǒng)調(diào)用過程中一直是同一個進程在運行。
所以感论，系統(tǒng)調(diào)用過程通常稱為特權(quán)模式切換绅项，而不是上下文切換。但實際上笛粘，系統(tǒng)調(diào)用過程中，CPU 的上下文切換還是無法避免的。
那么，進程上下文切換跟系統(tǒng)調(diào)用又有什么區(qū)別呢？
首先凿可，你需要知道敛助，進程是由內(nèi)核來管理和調(diào)度的，進程的切換只能發(fā)生在內(nèi)核態(tài)。所以，進程的上下文不僅包括了虛擬內(nèi)存、棧纵东、全局變量等用戶空間的資源衰絮，還包括了內(nèi)核堆棧淌友、寄存器等內(nèi)核空間的狀態(tài)器联。
因此，進程的上下文切換就比系統(tǒng)調(diào)用時多了一步：在保存當前進程的內(nèi)核狀態(tài)和 CPU 寄存器之前，需要先把該進程的虛擬內(nèi)存祟身、棧等保存下來婉陷；担神；而加載了下一進程的內(nèi)核態(tài)后亥贸，還需要刷新進程的虛擬內(nèi)存和用戶棧。
如下圖所示厕倍，保存上下文和恢復(fù)上下文的過程并不是“免費”的，需要內(nèi)核在 CPU 上運行才能完成。
根據(jù) Tsuna 的測試報告乱陡，每次上下文切換都需要幾十納秒到數(shù)微秒的 CPU 時間膜廊。這個時間還是相當可觀的匙瘪，特別是在進程上下文切換次數(shù)較多的情況下薄货，很容易導(dǎo)致 CPU 將大量時間耗費在寄存器、內(nèi)核棧以及虛擬內(nèi)存等資源的保存和恢復(fù)上碍论，進而大大縮短了真正運行進程的時間税娜。這也正是上一節(jié)中我們所講的弧岳，導(dǎo)致平均負載升高的一個重要因素柳恐。
另外却嗡，我們知道坪它， Linux 通過 TLB（Translation Lookaside Buffer）來管理虛擬內(nèi)存到物理內(nèi)存的映射關(guān)系。當虛擬內(nèi)存更新后帝牡，TLB 也需要刷新往毡，內(nèi)存的訪問也會隨之變慢。特別是在多處理器系統(tǒng)上靶溜，緩存是被多個處理器共享的开瞭，刷新緩存不僅會影響當前處理器的進程，還會影響共享緩存的其他處理器的進程罩息。
知道了進程上下文切換潛在的性能問題后嗤详，我們再來看，究竟什么時候會切換進程上下文扣汪。顯然断楷，進程切換時才需要切換上下文，換句話說崭别，只有在進程調(diào)度的時候冬筒，才需要切換上下文。Linux 為每個 CPU 都維護了一個就緒隊列茅主，將活躍進程（即正在運行和正在等待 CPU 的進程）按照優(yōu)先級和等待 CPU 的時間排序舞痰，然后選擇最需要 CPU 的進程，也就是優(yōu)先級最高和等待 CPU 時間最長的進程來運行诀姚。
那么响牛，進程在什么時候才會被調(diào)度到 CPU 上運行呢？
最容易想到的一個時機赫段，就是進程執(zhí)行完終止了呀打，它之前使用的 CPU 會釋放出來，這個時候再從就緒隊列里糯笙，拿一個新的進程過來運行贬丛。其實還有很多其他場景，也會觸發(fā)進程調(diào)度给涕，在這里我給你逐個梳理下豺憔。
其一，為了保證所有進程可以得到公平調(diào)度够庙，CPU 時間被劃分為一段段的時間片恭应，這些時間片再被輪流分配給各個進程。這樣耘眨，當某個進程的時間片耗盡了昼榛，就會被系統(tǒng)掛起，切換到其它正在等待 CPU 的進程運行剔难。
其二胆屿，進程在系統(tǒng)資源不足（比如內(nèi)存不足）時，要等到資源滿足后才可以運行钥飞，這個時候進程也會被掛起莺掠，并由系統(tǒng)調(diào)度其他進程運行。
- 其三读宙，當進程通過睡眠函數(shù) sleep 這樣的方法將自己主動掛起時彻秆，自然也會重新調(diào)度。
其四结闸，當有優(yōu)先級更高的進程運行時唇兑，為了保證高優(yōu)先級進程的運行，當前進程會被掛起桦锄，由高優(yōu)先級進程來運行扎附。
最后一個，發(fā)生硬件中斷時结耀，CPU 上的進程會被中斷掛起留夜，轉(zhuǎn)而執(zhí)行內(nèi)核中的中斷服務(wù)程序匙铡。
了解這幾個場景是非常有必要的，因為一旦出現(xiàn)上下文切換的性能問題碍粥，它們就是幕后兇手鳖眼。
線程上下文切換
說完了進程的上下文切換，我們再來看看線程相關(guān)的問題嚼摩。
線程與進程最大的區(qū)別在于钦讳，線程是調(diào)度的基本單位，而進程則是資源擁有的基本單位枕面。說白了愿卒，所謂內(nèi)核中的任務(wù)調(diào)度，實際上的調(diào)度對象是線程潮秘；而進程只是給線程提供了虛擬內(nèi)存琼开、全局變量等資源。所以唇跨，對于線程和進程稠通，我們可以這么理解：
當進程只有一個線程時，可以認為進程就等于線程买猖。
當進程擁有多個線程時改橘，這些線程會共享相同的虛擬內(nèi)存和全局變量等資源。這些資源在上下文切換時是不需要修改的玉控。
另外飞主，線程也有自己的私有數(shù)據(jù)，比如棧和寄存器等高诺，這些在上下文切換時也是需要保存的碌识。
這么一來，線程的上下文切換其實就可以分為兩種情況：
- 第一種虱而， 前后兩個線程屬于不同進程筏餐。此時，因為資源不共享牡拇，所以切換過程就跟進程上下文切換是一樣魁瞪。
- 第二種，前后兩個線程屬于同一個進程惠呼。此時导俘，因為虛擬內(nèi)存是共享的，所以在切換時剔蹋，虛擬內(nèi)存這些資源就保持不動旅薄，只需要切換線程的私有數(shù)據(jù)、寄存器等不共享的數(shù)據(jù)泣崩。
到這里你應(yīng)該也發(fā)現(xiàn)了少梁，雖然同為上下文切換洛口，但同進程內(nèi)的線程切換，要比多進程間的切換消耗更少的資源猎莲，而這绍弟，也正是多線程代替多進程的一個優(yōu)勢技即。
中斷上下文切換
除了前面兩種上下文切換著洼，還有一個場景也會切換 CPU 上下文，那就是中斷而叼。
為了快速響應(yīng)硬件的事件身笤，中斷處理會打斷進程的正常調(diào)度和執(zhí)行，轉(zhuǎn)而調(diào)用中斷處理程序葵陵，響應(yīng)設(shè)備事件液荸。而在打斷其他進程時，就需要將進程當前的狀態(tài)保存下來脱篙，這樣在中斷結(jié)束后娇钱，進程仍然可以從原來的狀態(tài)恢復(fù)運行。
跟進程上下文不同绊困，中斷上下文切換并不涉及到進程的用戶態(tài)文搂。所以，即便中斷過程打斷了一個正處在用戶態(tài)的進程秤朗，也不需要保存和恢復(fù)這個進程的虛擬內(nèi)存煤蹭、全局變量等用戶態(tài)資源。中斷上下文取视，其實只包括內(nèi)核態(tài)中斷服務(wù)程序執(zhí)行所必需的狀態(tài)硝皂，包括 CPU 寄存器、內(nèi)核堆棧作谭、硬件中斷參數(shù)等稽物。
對同一個 CPU 來說，中斷處理比進程擁有更高的優(yōu)先級折欠，贝或，所以中斷上下文切換并不會與進程上下文切換同時發(fā)生。怨酝。同樣道理傀缩，由于中斷會打斷正常進程的調(diào)度和執(zhí)行，所以大部分中斷處理程序都短小精悍农猬，以便盡可能快的執(zhí)行結(jié)束赡艰。
另外，跟進程上下文切換一樣斤葱，中斷上下文切換也需要消耗 CPU慷垮，切換次數(shù)過多也會耗費大量的 CPU揖闸，甚至嚴重降低系統(tǒng)的整體性能。所以料身，當你發(fā)現(xiàn)中斷次數(shù)過多時汤纸，就需要注意去排查它是否會給你的系統(tǒng)帶來嚴重的性能問題。
小結(jié)
總結(jié)一下芹血，不管是哪種場景導(dǎo)致的上下文切換贮泞，你都應(yīng)該知道：
- CPU 上下文切換，是保證 Linux 系統(tǒng)正常工作的核心功能之一幔烛，一般情況下不需要我們特別關(guān)注啃擦。
2.但過多的上下文切換，會把 CPU 時間消耗在寄存器饿悬、內(nèi)核棧以及虛擬內(nèi)存等數(shù)據(jù)的保存和恢復(fù)上令蛉，從而縮短進程真正運行的時間，導(dǎo)致系統(tǒng)的整體性能大幅下降狡恬。
