CPU上下文切换原理剖析

CPU上下文

CPU上下文其实是一些环境正是有这些环境的支撑，任务得以运行，而这些环境的硬件条件便是CPU寄存器和程序计数器。CPU寄存器是CPU内置的容量非常小但是速度极快的存储设备，程序计数器则是CPU在运行任何任务时必要的，里面记录了当前运行任务的行数等信息，这就是CPU上下文。

CPU上下文切换

根据任务的不同，CPU的上下文切换就可以分为进程上下文切换、线程上下文切换、中断上下文切换。

在Linux中，Linux按照特权等级，将进程的运行空间分为内核空间和用户空间：

• 内核空间具有最高权限，可以直接访问所有资源
• 用户空间只能访问受限资源，不能直接访问内存等硬件设备，要想访问这些特权资源，必须通过系统调用

对于一个进程来说，一般是运行在用户态的，但是当需要访问内存、磁盘等硬件设备的时候需要陷入到内核态中，也就是要从用户态到内核态的转变，而这种转变需要通过系统调用来实现，例如一个打开文件的操作，需要调用open()打开文件，read()读取文件内容，write()将文件内容输出到控制台，最后close()关闭文件，这就是系统调用

在系统调用的过程中同样发发生了CPU上下文切换：

• CPU寄存器里面原来用户态的指令位置，需要先保存起来，接着运行内核态代码
• CPU寄存器需要更新为内核态指令的位置，执行内核态代码

系统调用结束后，CPU寄存器需要恢复原来保存的用户态，然后切换为用户空间，所以一次系统调用的过程，会发生两次的CPU上下文切换但是我们一般说系统调用是特权模式切换而不是上下文切换，因为这里没有涉及到虚拟内存等这些进程用户态的资源，也不会切换进程是属于进程之内的上下文切换，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，所以进程的上下文包含了虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源，还包含了内核堆栈、寄存器等内核空间的状态，所以进程的上下文切换要比系统调用更多一步，保存该进程的虚拟内存、栈等用户空间的资源，进程上下文切换一般需要几十纳秒到数微秒的CPU时间，当进程上下文切换次数比较多的情况下爱，将导致CPU将大量的时间耗费在寄存器、内核栈即虚拟内存等资源的保存和恢复上，另外，Linux通过TLB快表来管理虚拟内存到物理内存的映射关系，当虚拟内存更新之后，需要刷新缓存，在这多处理系统上是很复杂的，因为多个处理器共享一个缓存。

下面再来说说什么时候会进行进程的上下文切换，其实就是进程在被调度的时候需要切换上下文，可能是主动地，也有可能是被动的

• 系统进程正常调度算法导致进程上下文切换，例如目前使用的时间片轮转算法，当一个进程的时间片耗尽之后，CPU会进项进程的调度切换到其他进程
• 进程在资源不足的时候，会被挂起例如在等待IO或者内存不足的时候，会主动挂起，并且等待系统调度其他进程
• 当进程通过一些睡眠函数sleep()主动挂起的时候，也会重新调度
• 当有高优先级的进程运行时，当前进程也会被挂起
• 当发生硬件中断时，CPU上的进程会被中断挂起

线程上下文切换

线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位，也就是说对于内核中的任务调度是以线程为单位，但是进程只是给线程提供了虚拟内存、全局变量等资源，进程与线程之间的区别这里不再介绍
那么线程上下文的切换，其实分为两种情况：

• 前后两个线程属于不同进程，因为资源不共享，所以这时候的线程上下文切换和进程上下文切换是一致的
• 前后两个线程属于同一个进程，因为虚拟内存是共享的，所以在切换的时候，虚拟内存这些资源保持不动，只有切换线程的私有数据、寄存器等不共享的资源

所以同进程内的线程切换要比多进程内的线程切换消耗更少的资源

中断上下文切换

中断是为了快速响应硬件的事件，简单来说就是计算机停下当前的事情，去处理其他的事情，然后在回来继续执行之前的任务，例如我们在调用print函数的时候，其实汇编的底层会帮我们调用一条 int 0x80的指令，便是调用0x80号中断
当然，中断要先将当前进程的状态保存下来，这样中断结束后进程仍然可以从原来的状态恢复运行，中断上下文的切换并不涉及进程的用户态，所以当中断程序打断了正在处于用户态的进程，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，只需要保存和恢复这个进程的内核态中的资源包括CPU寄存器、内核堆栈等
对于同一个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，一般来说中断程序都执行比较快短小精悍，以便快速结束执行之前的任务。当中断上下文切换次数比较多的时候，会耗费大量的CPU
怎么查看系统上下文
上面已经介绍到CPU上下文切换分为进程上下文切换、线程上下文切换、中断上下文切换，那么过多的上下文切换会把CPU的时间消耗在寄存器、内核栈以及虚拟内存等数据的保存和恢复上，缩短进程真正运行的时间，成为系统性能大幅下降的一个因素
所以我们可以使用vmstat这个工具来查询系统的上下文切换情况，vmstat是一个常用的系统性能分析工具，可以用来分析CPU上下文切换和中断的次数。

需要特别关注的是：

• cswch(voluntary context switches)：表示每秒自愿上下文切换的次数
• nvcswch(non voluntary context switches)：表示每秒非自愿上下文切换的次数

这两个概念的分别含义：

• 自愿上下文切换：进程无法获取所需的资源，导致的上下文切换，例如IO、内存等资源不足时，就会发生自愿上下文切换
• 非自愿上下文切换：进程由于时间片已到等时间，被系统强制调度，进而发生的上下文切换，例如大量的进程都在争抢CPU时，就容易发生非自愿上下文切换