进程、线程上下文切换
上下文切换
什么是上下文切换
进程上下文切换
上下文切换（有时也称做进程切换或任务切换）是指 CPU 从一个进程或线程切换到另一个进程或线程。
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。
进程的上下文：
不但包括虚拟内存、栈、全局变量等用户空间资源，还包括内核堆栈、寄存器等内核空间状态。
**切换过程：**进程的上下文切换比系统调用多一个步骤：保存当前进程的内核状态和 CPU 寄存器之前，先把该进程的虚拟内存、栈等保存起来；加载下一个进程的内核态后，还需要刷新进程的虚拟内存和用户栈。保存上下文和恢复上下文需要内核在 CPU 上运行才能完成。
进程是由内核管理和调度的，进程的切换只能发生在内核态什么情况发生上下文切换：
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进程上下文切换发生情形：
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时间片耗尽；
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IO阻塞、
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多个任务抢占锁资源, 当前任务没有抢到
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发生硬中断，CPU 上的进程会被挂起，然后去执行内核中的中断服务进程。
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进程通过睡眠函数 sleep 或者wait等阻塞函数，把自己挂起来；
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当有优先级更高的进程运行时，为了去运行高优先级进程，当前进程会被挂起；
注意：当系统调用（如发个信号singal）发生时 CPU 上下文切换到内核态是必要的。这应该叫做模式切换而不是上下文切换，因为没有改变当前的进程。
I/O 可以被定义为任何信息流入或流出 CPU 与主内存（RAM）。也就是说，一台电脑的
CPU和内存与该电脑的用户（通过键盘或鼠标）、存储设备（硬盘或磁盘驱动）还有其他电脑的任何交流都是 I/O。
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，然后调用中断处理程序，响应设备事件。在打断其他进程时，需要先将进程当前的状态保存下来，等中断结束后，进程仍然可以恢复回来。
跟进程上下文不同，中断上下文切换不涉及进程的用户态。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，只包括内核态中断服务程序执行所必需的状态，也就是 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不会与进程上下文切换同时发生。
总之：中断和系统调用，由于不涉及两个进程的切换，都不会涉及进程用户态状态信息，只会保存进程在内核态的那些状态信息
上下文频繁切换为什么会影响性能？
进程上下⽂切换次数较多的情况下，很容易导致⼤量时间耗费在CPU寄存器、操作系统内核栈以及内存等资源的保存和恢复上。
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。
内核中的任务调度实际是在调度线程，进程只是给线程提供虚拟内存、全局变量等资源。线程上下文切换时，共享相同的虚拟内存和全局变量等资源不需要修改。而线程自己的私有数据，如栈和寄存器等，上下文切换时需要保存。
线程切换分两种情况：
前后两个线程属于不同进程；
前后两个线程属于同一个进程（速度更快，消耗更少资源）。
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切换的性能消耗：
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1、线程上下文切换和进程上下问切换一个最主要的区别是线程的切换虚拟内存空间依然是相同的，但是进程切换是不同的。这两种上下文切换的处理都是通过操作系统内核来完成的。内核的这种切换过程伴随的最显著的性能损耗是将寄存器中的内容切换出。
2、另外一个隐藏的损耗是上下文的切换会扰乱处理器的缓存机制。简单的说，一旦去切换上下文，处理器中所有已经缓存的内存地址一瞬间都作废了。还有一个显著的区别是当你改变虚拟内存空间的时候，处理的页表缓冲（processor’s Translation Lookaside Buffer (TLB)）会被全部刷新，这将导致内存的访问在一段时间内相当的低效。但是在线程的切换中，不会出现这个问题。
进程上下文切换开销都有哪些
1、切换页表全局目录
2、切换内核态堆栈
3、切换硬件上下文（进程恢复前，必须装入寄存器的数据统称为硬件上下文）
ip(instruction pointer)：指向当前执行指令的下一条指令
bp(base pointer): 用于存放执行中的函数对应的栈帧的栈底地址
sp(stack poinger): 用于存放执行中的函数对应的栈帧的栈顶地址
cr3:页目录基址寄存器，保存页目录表的物理地址
…
4、刷新TLB
5、系统调度器的代码执行