我們都知道CPU上下文切換，會增加系統負載。那什么是CPU上下文，為什么要切換?

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什么是CPU上下文

我們都知道，Linux 是一個多任務操作系統，它支持遠大于 CPU 數量的任務同時運行。當然，這些任務實際上并不是真的在同時運行，而是因為系統在很短的時間內，將 CPU 輪流分配給它們，造成多任務同時運行的錯覺。

而在每個任務運行前，CPU 都需要知道任務從哪里加載、又從哪里開始運行，也就是說，需要系統事先幫它設置好 CPU 寄存器和程序計數器(Program Counter，PC)。

CPU 寄存器，是 CPU 內置的容量小、但速度極快的內存。而程序計數器，則是用來存儲 CPU 正在執行的指令位置、或者即將執行的下一條指令位置。它們都是 CPU 在運行任何任務前，必須的依賴環境，因此也被叫做 CPU 上下文。

 

而這些保存下來的上下文，會存儲在系統內核中，并在任務重新調度執行時再次加載進來。這樣就能保證任務原來的狀態不受影響，讓任務看起來還是連續運行。

根據任務的不同，CPU的上下文切換可以分為不同的場景，也就是進程上下文切換、線程上下文切換、中斷上下文切換。

進程上下文切換

Linux 按照特權等級，把進程的運行空間分為內核空間和用戶空間，分別對應著下圖中， CPU 特權等級的 Ring 0 和 Ring 3。

• 內核空間(Ring 0)具有***權限，可以直接訪問所有資源;
• 用戶空間(Ring 3)只能訪問受限資源，不能直接訪問內存等硬件設備，必須通過系統調用陷入到內核中，才能訪問這些特權資源。

 

 

換個角度看，也就是說，進程既可以在用戶空間運行，又可以在內核空間中運行。進程在用戶空間運行時，被稱為進程的用戶態，而陷入內核空間的時候，被稱為進程的內核態。

從用戶態到內核態的轉變，需要通過系統調用來完成。比如，當我們查看文件內容時，就需要多次系統調用來完成：首先調用 open() 打開文件，然后調用 read() 讀取文件內容，并調用 write() 將內容寫到標準輸出，***再調用 close() 關閉文件。

那么，系統調用的過程有沒有發生 CPU 上下文的切換呢?答案自然是肯定的。

CPU 寄存器里原來用戶態的指令位置，需要先保存起來。接著，為了執行內核態代碼，CPU 寄存器需要更新為內核態指令的新位置。***才是跳轉到內核態運行內核任務。

而系統調用結束后，CPU 寄存器需要恢復原來用戶保存的狀態，然后再切換到用戶空間，繼續運行進程。所以，一次系統調用的過程，其實是發生了兩次 CPU 上下文切換。

不過，需要注意的是，系統調用過程中，并不會涉及到虛擬內存等進程用戶態的資源，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，是指從一個進程切換到另一個進程運行。
• 而系統調用過程中一直是同一個進程在運行。

所以，系統調用過程通常稱為特權模式切換，而不是上下文切換。但實際上，系統調用過程中，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調用又有什么區別呢?

首先，你需要知道，進程是由內核來管理和調度的，進程的切換只能發生在內核態。所以，進程的上下文不僅包括了虛擬內存、棧、全局變量等用戶空間的資源，還包括了內核堆棧、寄存器等內核空間的狀態。

因此，進程的上下文切換就比系統調用時多了一步：在保存當前進程的內核狀態和 CPU 寄存器之前，需要先把該進程的虛擬內存、棧等保存下來;而加載了下一進程的內核態后，還需要刷新進程的虛擬內存和用戶棧。

如下圖所示，保存上下文和恢復上下文的過程并不是“免費”的，需要內核在 CPU 上運行才能完成。

 

 

根據測試報告，每次上下文切換都需要幾十納秒到數微秒的 CPU 時間。這個時間還是相當可觀的，特別是在進程上下文切換次數較多的情況下，很容易導致 CPU 將大量時間耗費在寄存器、內核棧以及虛擬內存等資源的保存和恢復上，進而大大縮短了真正運行進程的時間。這也正是上一節中我們所講的，導致平均負載升高的一個重要因素。

另外，我們知道， Linux 通過 TLB(Translation Lookaside Buffer)來管理虛擬內存到物理內存的映射關系。當虛擬內存更新后，TLB 也需要刷新，內存的訪問也會隨之變慢。特別是在多處理器系統上，緩存是被多個處理器共享的，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。

知道了進程上下文切換潛在的性能問題后，我們再來看，究竟什么時候會切換進程上下文。

顯然，進程切換時才需要切換上下文，換句話說，只有在進程調度的時候，才需要切換上下文。Linux 為每個 CPU 都維護了一個就緒隊列，將活躍進程(即正在運行和正在等待 CPU 的進程)按照優先級和等待 CPU 的時間排序，然后選擇最需要 CPU 的進程，也就是優先級***和等待 CPU 時間最長的進程來運行。

那么，進程在什么時候才會被調度到 CPU 上運行呢?

最容易想到的一個時機，就是進程執行完終止了，它之前使用的 CPU 會釋放出來，這個時候再從就緒隊列里，拿一個新的進程過來運行。其實還有很多其他場景，也會觸發進程調度，在這里我給你逐個梳理下。

其一，為了保證所有進程可以得到公平調度，CPU 時間被劃分為一段段的時間片，這些時間片再被輪流分配給各個進程。這樣，當某個進程的時間片耗盡了，就會被系統掛起，切換到其它正在等待 CPU 的進程運行。

其二，進程在系統資源不足(比如內存不足)時，要等到資源滿足后才可以運行，這個時候進程也會被掛起，并由系統調度其他進程運行。

其三，當進程通過睡眠函數 sleep 這樣的方法將自己主動掛起時，自然也會重新調度。

其四，當有優先級更高的進程運行時，為了保證高優先級進程的運行，當前進程會被掛起，由高優先級進程來運行。

***一個，發生硬件中斷時，CPU 上的進程會被中斷掛起，轉而執行內核中的中斷服務程序。

了解這幾個場景是非常有必要的，因為一旦出現上下文切換的性能問題，它們就是幕后兇手。

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的問題。

線程與進程***的區別在于，線程是調度的基本單位，而進程則是資源擁有的基本單位。說白了，所謂內核中的任務調度，實際上的調度對象是線程;而進程只是給線程提供了虛擬內存、全局變量等資源。所以，對于線程和進程，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。
• 當進程擁有多個線程時，這些線程會共享相同的虛擬內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。
• 另外，線程也有自己的私有數據，比如棧和寄存器等，這些在上下文切換時也是需要保存的。

這么一來，線程的上下文切換其實就可以分為兩種情況：

***種， 前后兩個線程屬于不同進程。此時，因為資源不共享，所以切換過程就跟進程上下文切換是一樣。

第二種，前后兩個線程屬于同一個進程。此時，因為虛擬內存是共享的，所以在切換時，虛擬內存這些資源就保持不動，只需要切換線程的私有數據、寄存器等不共享的數據。

到這里你應該也發現了，雖然同為上下文切換，但同進程內的線程切換，要比多進程間的切換消耗更少的資源，而這，也正是多線程代替多進程的一個優勢。

中斷上下文切換

為了快速響應硬件的事件，中斷處理會打斷進程的正常調度和執行，轉而調用中斷處理程序，響應設備事件。而在打斷其他進程時，就需要將進程當前的狀態保存下來，這樣在中斷結束后，進程仍然可以從原來的狀態恢復運行。

對同一個 CPU 來說，中斷處理比進程擁有更高的優先級，所以中斷上下文切換并不會與進程上下文切換同時發生。同樣道理，由于中斷會打斷正常進程的調度和執行，所以大部分中斷處理程序都短小精悍，以便盡可能快的執行結束。

另外，跟進程上下文切換一樣，中斷上下文切換也需要消耗 CPU，切換次數過多也會耗費大量的 CPU，甚至嚴重降低系統的整體性能。所以，當你發現中斷次數過多時，就需要注意去排查它是否會給你的系統帶來嚴重的性能問題。