什么是CPU上下文切换
转载自：https://blog.csdn.net/czd3355/article/details/85118727
我们在介绍什么是CPU上下文切换之前，我们先介绍一下Linux，Linux 是一个多任务操作系统，它支持远大于 CPU 数量的任务（这里可以直接理解为进程）同时运行。当然，这些任务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 轮流分配给它们，造成多任务同时运行的错觉。而在每个任务运行前，CPU 都需要知道任务从哪里加载、又从哪里开始运行（这里任务的运行，就是进程的运行，简单的理解电脑运行一个进程，其实就是解释执行一段源码，而CPU就是真正执行源码的，源码放在内存中的哪一块，这个CPU是要知道的），也就是说，需要系统事先帮它设置好CPU 寄存器和程序计数器。
1.什么是进程
上面我们讲到进程，那么到底什么是进程呢？进程（有时候也称做任务）是指一个程序运行的实例。在 Linux 系统中，线程就是能并行运行并且与他们的父进程（创建他们的进程）共享同一地址空间（一段内存区域）和其他资源的轻量级的进程。
2.什么是 CPU 上下文
CPU 寄存器和程序计数器就是 CPU 上下文，因为它们都是 CPU 在运行任何任务前，必须的依赖环境。上下文
指某一时间点 CPU 寄存器和程序计数器的内容
CPU 寄存器是 CPU 内置的容量小、但速度极快的内存（与之对应的是 CPU 外部相对较慢的 RAM 主内存）。
程序计数器则是一个专用的寄存器，是用来存储 CPU 正在执行的指令位置、或者即将执行的下一条指令位置。
3.什么是 CPU 上下文切换
CPU上下文切换就是保存上一个任务运行的寄存器和计数器信息切换到加载下一个任务的寄存器和计数器的过程
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运行。
详细解释就是：上下文切换可以认为是内核（操作系统的核心）在 CPU 上对于进程（包括线程）进行以下的活动：（1）挂起一个进程，将这个进程在 CPU 中的状态（上下文）存储于内存中的某处，（2）在内存中检索下一个进程的上下文并将其在 CPU 的寄存器中恢复，（3）跳转到程序计数器所指向的位置（即跳转到进程被中断时的代码行），以恢复该进程。
4.CPU 上下文切换的类型
1.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，分别对应着下图中， 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，必须通过系统调用陷入到内核中，才能访问这些特权资源。
进程既可以在用户空间运行，又可以在内核空间中运行。进程在用户空间运行时，被称为进程的用户态，而陷入内核空间的时候，被称为进程的内核态。
2.系统调用
从用户态到内核态的转变，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，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() 关闭文件。
在这个过程中就发生了 CPU 上下文切换，整个过程是这样的：
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。
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。（用户态-内核态-用户态）
不过，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.系统调用和进程上下文切换的区别
- 系统调用都是在同一个进程中发生
- 进程上下文切换是从一个进程切换到第二个进程中运行
- 进程上下文切换除了需要保存 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
4.发生进程上下文切换的场景
- 为了保证所有进程可以得到公平调度，CPU 时间被划分为一段段的时间片，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，切换到其它正在等待 CPU 的进程运行。
- 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。
- 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。
- 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
- 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。
5.线程上下文切换
1：线程与进程的区别： 线程是调度的基本单位，进程是资源拥有的基本单位 通俗理解：系统内核中的任务调度实际上调度的对象是线程，而进程只是给线程提供了虚拟内存，全局变量等资源这些资源在线程上下文切换时是不需要修改的
2：结论：如果是同一个进程之间的线程上下文切换时，进程提供的全局资源不需要单独保存；如果是不同进程之前的线程上下文切换相对前一种会消耗资源是cpu更多
6.发生线程上下文切换的场景
- 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。
- 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
7.中断上下文切换
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在用户态的进程，也不需要保存和恢复这个进程的虚拟内存、全局变量等用户态资源。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都短小精悍，以便尽可能快的执行结束。
8.为什么要监控上下文切换次数
从上面我们解释了什么是CPU的上下文切换，那么这个时候会有一个问题，为什么我们做监控的时候，需要监控CPU的上下文切换次数呢？说到这里我还要解释两个概念，自愿上下文切换和非自愿上下文切换。
自愿上下文切换：是指进程无法获取所需资源，导致的上下文切换。比如说， I/O、内存等系统资源不足时，就会发生自愿上下文切换。
非自愿上下文切换：则是指进程由于时间片已到等原因，被系统强制调度，进而发生的上下文切换。比如说，大量进程都在争抢 CPU 时，就容易发生非自愿上下文切换。
上次文切换次数主要监控哪些方面：自愿上下文切换次数，非自愿上下文切换次数，中断上下文切换。
每秒上下文切换多少次算正常？
这个数值主要取决于系统CPU的性能，如果上下文切换比较稳定，那在1万以下都算是正常，如果超过1万或者切换次数出现很大的增长，就很可能出现了性能问题。 cswch ，自愿上下文切换的次数增多了，说明系统正在等待资源，有可能发生了I/O等其它问题； nvcswch ，非自愿上下文切换的次数增多了，说明进程都在强制调度，也就是在争抢CPU，说明CPU性能成了瓶颈； in，中断次数增多了，说明CPU被中断，通过分析/proc/interrupt文件来确认中断类型。
