1、什么是CPU上下文

上下文是指某一时间点 CPU 寄存器和程序计数器的内容，因为他们都是CPU在运行任何任务前，必须依赖的环境。

  • CPU寄存器是CPU内置的容量小、但速度极快的内存。
  • 程序计数器则是用来存储CPU正在执行的指令的位置、或者即将执行的下一条指令的位置。

2、什么是上下文切换

就是先把一个任务的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中，最后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再次加载进来。这就能保证原来的任务的状态不受影响，让任务看起来还是连续运行的。任务的状态保存及再加载, 这段过程就叫做上下文切换。

如下图所示，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。时间片轮转的方式使多个任务在同一颗 CPU 上执行变成了可能

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3、特权模式切换

从用户态转到内核态，需要通过系统调用来完成。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
  • 调用read()读取文件内容
  • 调用write()将内容写到标准输出
  • 最后调用close()关闭文件

3.1、切换过程

  1. 保存CPU寄存器里原来用户态的指令位。
  2. 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。
  3. 跳转到内核态运行内核任务。
  4. 当系统调用结束后，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。
  • 一次系统调用的过程，其实是发生了两次 CPU 上下文切换。（用户态-内核态-用户态）
  • 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。系统调用属于同进程内的 CPU 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。

3.2、与进程切换的区别

  • 进程是由内核来管理和调度的，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，还包括了内核堆栈、寄存器等内核空间的状态。
  • 因此，进程的上下文切换就比系统调用时的切换多了一步：在保存内核态资源（当前进程的内核状态和 CPU 寄存器）之前，需要先把该进程的用户态资源（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。

4、进程切换

4.1、上下文切换的场景

  1. 当某个进程的时间片耗尽了，就会被系统挂起，切换到其它正在等待 CPU 的进程运行。
  2. 进程在系统资源不足（比如内存不足）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，并由系统调度其他进程运行。
  3. 用户代码将自己主动挂起时，让出CPU时间。
  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
  5. 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。
  6. 当前执行任务碰到IO阻塞，调度器将此任务挂起，继续下一个任务。
  7. 多个任务抢占锁资源，当前任务没抢到锁资源，被调度器挂起，继续下一个任务。

4.2、潜在的性能问题

根据 Tsuna 的测试报告，每次上下文切换都需要几十纳秒到数微秒（上下文切换的开销大约是2.7-5.48us左右）的 CPU 时间。这个时间还是相当可观的，特别是在进程上下文切换次数较多的情况下，很容易导致 CPU 将大量时间耗费在寄存器、内核栈以及虚拟内存等资源的保存和恢复上，进而大大缩短了真正运行进程的时间。这也正是导致平均负载升高的一个重要因素。

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。

5、线程切换

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、全局变量等资源。

所以，对于线程和进程，我们可以这么理解

  • 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。

发生线程上下文切换的场景:

  1. 前后两个线程属于不同进程。此时，因为资源不共享，所以切换过程就跟进程上下文切换是一样。
  2. 前后两个线程属于同一个进程。此时，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