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一、CPU上下文：

• PC寄存器：存放着CPU正在执行的指令或者CPU将要执行的指令；
• 其他寄存器，CPU身边速度极快的内存，保存着其他重要的信息。
  

CPU上下文切换：由于任务（进程、线程或者中断）在CPU上执行时宏观看上去所有进程都在执行，实际上任务不可能独占CPU，是需要遵守CPU的调度算法，这个过程中任务是要不停的换进换出，而上下文指的就是这个某个任务执行所依赖的环境，这些信息是要被换进CPU或者换出CPU的。

往往上下文的切换是比较耗时的，理想状态是更多时间花在任务的运行上，而不是上下文切换。

以下是CPU上下文切换的几个场景：

二、系统调用带来的上下文切换：

• 内核态：(Ring 0)执行内核代码，就是陷入内核，处于内核态。具有最高的权限，可以访问计算机的所有资源；

• 用户态：(Ring 3)执行用户的空间的代码，就是处于内核态；访问资源受限，需要时必须经过陷入内核，才能访问特权资源。
  
  系统调用： 我们知道，内核帮我们管理着所有的宝贵的硬件资源，当我们的上层应用程序需要一些硬件资源时，不能直接去取，而是需要通过操作系统预留给我们的接口获取。这个时候执行我们用户态的代码已经不能满足了，此时将陷入内核，执行操作系统的代码，有操作系统去获取资源，然后以某种形式返回给我们用户，这就是系统调用的大概过程。系统调用详解
  系统调用的上下文切换：
  CPU正在执行我们的用户态代码，执行到系统调用时，触发中断，CPU将从用户态转到内核态，执行内核态代码，有没有想过CPU陷入内核前做了什么，执行完毕后又做了什么？

• 陷入内核前：保存当前进程的堆栈地址入栈保存，比如在用户态执行的位置等。然后将CPU寄存器的内容更新要执行的内核指令的内容，最后陷入内核，执行内核代码；

• 返回用户空间前：需要将内核给用户空间返回的资源，如句柄、文件描述符等保存下来，然后将CPU寄存器的内容更新为陷入内核前被压入栈的信息，然后接着执行用户态的指令。

系统调用是在同一个进程中完成的，区别与进程之间的切换
一次系统调用需要进行两次的CPU上下文切换，实际上花费的时间是很可观的

三、进程切换带来的CPU上下文切换：

Linux为每一个CPU维护一个就绪队列，将活跃进程（正在运行和正在等待CPU）按照优先级和等待CPU时间进行排序，选择最需要CPU的进程，即优先级较高和等待时间较长的进程使用CPU。
进程切换的几种常见的场景：

1. 每个进程在CPU上执行时间被划分为好多块时间片，当某一次执行时对应的时间片用完了，这个进程就要被换下来，由调度程序根据进程的优先级和已经等待的时间决策，接下来哪个进程使用CPU；
2. 进程运行时，发现系统的资源不够了，这个时候也会被挂起，被换下来，依然由调度程序根据进程的优先级和已经等待的时间决策，接下来哪个进程使用CPU；
3. 当进程调用sleep等睡眠函数的时候，将自己主动的挂起，会被换下来，由调度程序根据进程的优先级和已经等待的时间决策，接下来哪个进程使用CPU；
4. 此时有个优先级更高的进程需要紧急执行，此时当前CPU上的进程会被换下来；
5. 发生硬件中断，当前CPU上的进程会被挂起，去执行对应的中断处理程序。

进程切换时做了什么：

• 先保存当前进程的虚拟内存、栈等信息，然后保存当前进程的内核状态和CPU寄存器内容。
• 然后加载下一个进程的内核态后，还需要刷新进程的虚拟内存和用户栈。

TLB：（Translation Lookaside Buffer）
TLB是Linux管理虚拟内存到物理内存的映射关系的。当虚拟内存更新以后，TLB也需要刷新，内存的访问也会随之变慢。
缓存刷新：
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，还会影响影响共享缓存上的其他处理器的进程。

进程频繁的切换，进程上下文的更新时间/CPU真正运行进程时间 比率会上升
使得缓存失效，命中率降低，缓存的内容也是要更新的，缓存失效可以说是很致命的

现在编程有一种手段就是禁止当前进程被换出CPU，这种手段说好也好，说不好也不好。

四、线程的上下文切换：

线程的历史：
在Linux上早期是没有线程这么一说的，后来可能是向其他操作系统看齐，出现了轻量级进程–也就是我们所看到的thread。所以，线程被看作是进程内的一条执行路径，不过当前进程内的所有线程是共享进程的数据、堆等资源的，线程有的只不过是本身所需的栈内存和一些寄存器罢了。
从这里也体现了我们经常说的一句话：“进程是资源分配的基本单位，线程是CPU调度的基本单位”。

所谓的内核调度：实际上是线程的调度，单进程就是一个线程，此时划等号
进程只不过是给线程提供虚拟内存、共享数据等资源而已

线程切换的几个场景：

1. 同一个进程内的线程切换，由于两个线程共享的是同一个进程的资源，所以大多数的资源是不需要切换的，需要切换的只是线程独有的栈数据和一些寄存器；
2. 不同进程的两个线程，此时等同于前面说到的进程的切换。

当我们使用多线程编程时，同一个进程内的线程切换，耗时明显比多进程切换少得多
这也是为什么说多线程编程比多进程编程效率高的原因。

但是，多线程的健壮性堪忧，如何抉择，还是得考虑实时的场景。

五、中断上下文的切换：

还有一种情况，就是为了快速响应硬件的事件，中断处理会打断进程的正常运行和调度，从而转到中断处理程序，来处理设备的事件。被打断的进程在换下来之前需要讲当前的状态保存下来，这样在中断结束以后恢复原来的状态。

中断上下文内容：

内核态中断服务程序执行所需的状态，包括CPU寄存器、内核堆栈、硬件中断参数等

由于中断会打断正常进程的调度和执行，所以大部分的中断处理程序都短小精悍，以便尽可能的执行完毕。
不过，跟进程上下文切换一样，中断上下文的切换也需要消耗CPU，切换次数过多也会耗费大量的CPU。甚至严重降低系统的整体性能，所以，中断次数过多的时，需要考虑中断是否给我们的系统带来严重的性能问题。

六、总结：

1. CPU上下文切换，时保证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的关注；
2. 但是过多的上下文切换，回把CPU事件消耗在寄存器、内核栈以及虚拟内存等数据的保存和恢复上，从而缩短进程真正的运行时间，导致系统的性能大幅度的下降。

参考：极客–linux性能优化.