理解CPU上下文切换

liunx是多任务操作系统，但当任务数量大于CPU数量时，系统会在很短的时间内将CPU轮流分配给任务，并不是所有的任务都在同时运行。

每个任务在运行前，系统都需要事先设置好CPU寄存器和程序计数器。
CPU寄存器是CPU内置的容量小速度极快的内存，程序计数器是用来存储CPU正在执行的指令位置、或者即将执行的下一条指令位置。他们称为CPU的上下文。

CPU上下文切换指的是CPU将当前任务的CPU寄存器和程序计数器保存起来，然后加载新任务CPU寄存器和程序计数器，再跳到新任务的程序计数器指的位置，运行新任务。

保存起来的CPU上下文会存储在系统内核中，等待任务重新调度。

保存CPU上下文和恢复CPU上下文是需要系统内核在CPU上运行才能完成的。

CPU上下文切换大体可以分为三种，进程上下文切换、线程上下文切换、中断上下文切换。

进程上下文切换

进程的上下文切换是指从一个进程切换到另一个进程运行。

liunx将进程的运行空间分为内核空间和用户空间。
内核空间具有最高等级，可以直接访问所有系统资源。
用户空间只能访问有限资源，不能直接访问内存等硬件设备，必须通过系统调用深入内核才能访问这些资源。

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。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。

进程可以在这内核空间和用户空间运行，分别称为进程的用户态和进程的内核态。

从用户态到内核态的转变需要通过系统调用来完成，需要进行CPU上下文切换，保存用户态的CPU上下文，加载内核态的CPU上下文，结束后相反，其中发生了两次CPU上下文切换。这一切都在同一个进程中进行，会消耗系统资源，但并不是进程的CPU上下文切换。

进程的上下文切换比系统调用多一步，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和栈等保存下来，而加载了下一个进程的内核状态和CPU寄存器之后，还需要刷新下一个进程的虚拟内存和栈等。

进程上下文切换次数较多，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，大大缩短了真正运行进程的时间。导致平均负载升高。

线程的上下文切换

线程和进程的区别，线程是调度的基本单位，进程时资源拥有的基本单位，怎么理解呢？所谓内核中的任务调度，实际上调度的对象是线程，而进程时给线程提供虚拟内存、全局变量等资源的。
你也可以这样理解：
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并不需要修改。
当线程也有自己的私有数据时，比如自己的栈和寄存器，上下文切换时也需要保存。

根据上面描述的，线程的上下文切换就存在两种情况：

1. 前后切换的两个线程是属于同一个进程，两个线程的资源基本是共享的，切换上下文时共享的资源不需要动，只有当线程有私有数据时，切换这些不共享的数据即可；
2. 前后切换的两个进程不属于同一个进程，跟切换进程的上下文时一样的。

切换同一进程的线程比切换进程消耗更少的系统资源，这就是多线程对比多进程的优势。

中断上下文切换

中断处理拥有比进程更高的优先级
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，转而执行中断处理程序，响应设备事件。在打断进程时，需要将当前进程的状态保存下来，中断结束后，再恢复到原有的状态。

中断上下文切换不涉及到进程的用户态。所以即便中断过程打断的是一个正在处于用户态的进程，也不需要保存和恢复这个进程的虚拟内存和全局变量等用户态资源。中断上下文只包括内核态中断服务程序执行所必须的状态，包括CPU寄存器、内存堆栈、硬件中断参数等。

一般中断程序都是短小的。力求尽快执行完成，但当发生过多的中断次数时，也可能带来严重的系统性能问题。

by kocor