cpu上下文切换

--内容来源于：linux性能优化课程，此处做记录用。

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，当然，这实际上并不是真的在同时运行，而是因为系统在很短的时间内，将cpu轮流分配给他们，造成多任务同时运行的错觉。

在每个任务运行之前，cpu都需要知道任务从哪里加载，又从哪里开始运行，系统要事先帮它设置好cpu寄存器和程序计数器(program counter,PC)。

cpu寄存器是cpu内置的容量小但速度极快的内存，而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个指令位置，他们是在cpu运行任务之前，必须的依赖环境，因此也被叫做 cpu上下文

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，然后加载新任务的上下文到这些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。

而这些保存下来的上下文，会存储在系统内核中，并在任务重新调度执行时候再次加载进来，这样就能保证任务原来的状态不受影响，让任务看起来还是连续的。

所以根据任务的不同，cpu的上下文切换就可以分为几个不同的场景，也就是进程上下文切换、线程上下文切换及中断上下文切换。

--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，分别对应下图cpu特权等级的ring 0和ring 3

--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，必须通过系统调用等陷入到内核中，才能访问这些特权资源。

也就是说，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，在内核空间的时候，被称为进程的内核态。

从用户态到内核态的转变，需要用过系统调用来完成。比如，当我们查看文件内容时，就需要多次系统调用来完成：首先调用open()打开文件，然后调用read()读取文件内容，并调用write()将内容写到标准输出，最后再调用close()来关闭文件。

cpu寄存器里原来用户态的指令位置，需要先保存起来，接着，为了执行内核态代码，cpu寄存器需要更新为内核态指令的新位置，最好才是跳转到内核态去运行内核任务。

而系统调用结束后，cpu寄存器需要恢复原来保存的用户态，然后再切换到用户空间，继续运行进程，所以，一次系统调用的过程，其实是发生了两次cpu上下文切换。

需要注意的是，系统调用过程中，并不会涉及到虚拟内存等进程用户态的资源，也不会切换进程。这跟我们通常所说的进程上下文切换是不一样的：

--进程上下文切换，是指从一个进程切换到另一个进程运行。

--而系统调用过程中一直是同一个进程在运行。

所以，系统调用过程通常称为特权模式切换，而不是上下文切换。但实际上，系统调用过程中，cpu的上下文切换还是无法避免的。

那么，进程上下文切换跟系统调用又有什么区别呢

需要知道，进程是由内核态来管理和调度的，进程的切换只能发生在内核态，所以，进程的上下文不仅包括了虚拟内存、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

下图，保存上下文和恢复上下文的过程并不是“免费”的，需要内核在cpu上运行才能完成。

 

另外，我们知道，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。

什么时候需要上下文切换

显然，进程切换时才需要上下文切换，只有在进程调度的时候，还需要切换上下文。Linux为每个cpu都维护了一个就绪队列，将活跃进程（正在运行和正在等在cpu的进程）按照优先级和等待cpu的时间排序，然后选择最需要cpu的进程，也就是优先级最高和等待cpu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

就是进程执行完成终止了，它之前使用的cpu会释放出来，这个时候再从就绪队列里，拿一个新的进程过来运行。其实还有很多其他场景，也会出发进程调度。

其一：为了保证所有进程可以得到公平调度，cpu时间被划分为一段时间片，这些时间片再被轮流分配给各个进程。这样，当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。

其二：进程在系统资源不足（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，并有系统调度其他进程运行。

其三：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。

其四：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，当前进程会被挂机，由优先级高的进程先运行。

最后，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

--线程上下文切换

线程与进程最大的区别在于， 线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位。说白了，所谓内核中的任务调度，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和全局变量等资源，所以，对于线程和进程：

--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，这些在上下文切换是也是需要保存的。

线程的切换分为两种：

--1，前后两个线程属于不同进程，此时，资源不共享，所以切换过程就跟进程切换一样。

--2，前后两个属于同一个进程，此时，由于资源共享，只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据。

这里发现，虽然同为上下文切换，但是线程比进程切换消耗更少的资源，正是多线程代替多进程的优势。

--中断上下文切换

这个场景也会切换cpu上下文，就是中断

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。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。所以，即便中断过程打断了一个正处于用户态的进程，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需的状态，包括cpu寄存器、内核堆栈、硬件中断参数等。

对同一个cpu来说，中断处理比进程拥有更高的优先级，所以中断上下文切换并不会与进程上下文切换同时发生。同样道理，由于中断会打断正常进程的调度和执行，所以大部分中断处理程序短小精悍，以便尽可能快的执行结束。

另外，跟进程上下文切换一样，中断上下文切换也需要消耗cpu，切换次数过多也会消费大量的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。

--小结：

--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。