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CPU 的上下文切換分三種：進(jìn)程上下文切換、線(xiàn)程上下文切換、中斷上下文切換。

(資料圖片僅供參考)

上一任務(wù)的CPU上下文保存在哪？

我們知道因?yàn)镃PU過(guò)于昂貴，其性能與其他儲(chǔ)存設(shè)備有數(shù)量級(jí)的差距，為了充分壓榨其性能，計(jì)算機(jī)將CPU的時(shí)間進(jìn)行分片，讓各個(gè)程序在CPU上輪轉(zhuǎn)執(zhí)行，被剝奪執(zhí)行權(quán)的程序，等后面CPU繼續(xù)執(zhí)行它的時(shí)候，這時(shí)需要一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)保存相關(guān)信息，以便之后恢復(fù)繼續(xù)執(zhí)行，這個(gè)其實(shí)就是進(jìn)程。

CPU上下文會(huì)被保存在進(jìn)程的內(nèi)核空間（kernel space）上。OS在給每個(gè)進(jìn)程分配虛擬內(nèi)存空間時(shí)，會(huì)分配一個(gè)內(nèi)核空間，這部分內(nèi)存只能由內(nèi)核代碼訪問(wèn)。OS在切換CPU上下文前，會(huì)先將當(dāng)前CPU的通用寄存器、PC等進(jìn)程現(xiàn)場(chǎng)信息保存在進(jìn)程的內(nèi)核空間上，待下次切換時(shí)，再取出重新裝載到CPU上，以恢復(fù)任務(wù)的運(yùn)行。

進(jìn)程上下文切換

內(nèi)核空間和用戶(hù)空間

我們知道為了限制不同的指令的訪問(wèn)能力，提升安全，Linux 按照特權(quán)等級(jí)，把進(jìn)程的運(yùn)行空間分為內(nèi)核空間和用戶(hù)空間。進(jìn)程既可以在用戶(hù)空間運(yùn)行，又可以在內(nèi)核空間中運(yùn)行。進(jìn)程在用戶(hù)空間運(yùn)行時(shí)，被稱(chēng)為進(jìn)程的用戶(hù)態(tài)，而陷入內(nèi)核空間的時(shí)候，被稱(chēng)為進(jìn)程的內(nèi)核態(tài)。

常見(jiàn)的內(nèi)核操作：分配內(nèi)存、IO操作、創(chuàng)建子進(jìn)程……

常見(jiàn)的用戶(hù)態(tài)空間程序：數(shù)據(jù)庫(kù)、web服務(wù)器、shell腳本、Java程序或者其他常見(jiàn)語(yǔ)言的程序……

我們一起看下Linux整體架構(gòu)圖：

top命令查看CPU資源

在linux系統(tǒng)使用top命令查看cpu時(shí)，能看到用戶(hù)態(tài)和內(nèi)核態(tài)占用的cpu資源其中各項(xiàng)數(shù)據(jù)表示內(nèi)容：

系統(tǒng)調(diào)用

對(duì)于一個(gè)進(jìn)程來(lái)說(shuō)，比如web服務(wù)的進(jìn)程，一般是運(yùn)行在用戶(hù)態(tài)的，但是當(dāng)需要訪問(wèn)內(nèi)存、磁盤(pán)等硬件設(shè)備的時(shí)候需要先進(jìn)入到內(nèi)核態(tài)中，也就是從用戶(hù)態(tài)到內(nèi)核態(tài)的轉(zhuǎn)變，而這種轉(zhuǎn)變需要借助系統(tǒng)調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)調(diào)用是內(nèi)核向用戶(hù)進(jìn)程提供服務(wù)的唯一方法。

比如查看文件時(shí)，需要執(zhí)行多次系統(tǒng)調(diào)用：open()打開(kāi)文件，read()讀取文件內(nèi)容，write()將文件內(nèi)容輸出到控制臺(tái)，最后close()關(guān)閉文件等。系統(tǒng)調(diào)用的過(guò)程如下：

我們可以發(fā)現(xiàn)一次系統(tǒng)調(diào)用的過(guò)程，其實(shí)是發(fā)生了兩次 CPU 上下文切換（用戶(hù)態(tài)-內(nèi)核態(tài)-用戶(hù)態(tài)）。

需要注意的是:系統(tǒng)調(diào)用過(guò)程中，不涉及虛擬內(nèi)存等進(jìn)程用戶(hù)態(tài)的資源，也不會(huì)切換進(jìn)程，也就是系統(tǒng)調(diào)用過(guò)程中一直是同一個(gè)進(jìn)程在運(yùn)行。系統(tǒng)調(diào)用過(guò)程也通常稱(chēng)為特權(quán)模式切換。

進(jìn)程上下文切換和系統(tǒng)調(diào)用的區(qū)別？

需要注意的是：進(jìn)程是由內(nèi)核來(lái)管理和調(diào)度的，進(jìn)程的切換只能發(fā)生在內(nèi)核態(tài)，保存上下文和恢復(fù)上下文的過(guò)程并不免費(fèi)，需要消耗一定資源

進(jìn)程切換的常見(jiàn)場(chǎng)景

進(jìn)程切換時(shí)需要切換上下文，換句話(huà)說(shuō)，只有在進(jìn)程調(diào)度的時(shí)候，才需要切換上下文。Linux 為每個(gè) CPU 都維護(hù)了一個(gè)就緒隊(duì)列，將活躍進(jìn)程（即正在運(yùn)行和正在等待 CPU 的進(jìn)程）按照優(yōu)先級(jí)和等待 CPU 的時(shí)間排序，然后選擇最需要 CPU 的進(jìn)程，也就是優(yōu)先級(jí)最高和等待 CPU 時(shí)間最長(zhǎng)的進(jìn)程來(lái)運(yùn)行。進(jìn)程切換的場(chǎng)景有：

線(xiàn)程上下文切換

對(duì)操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，進(jìn)程是資源分配的基本單位，而線(xiàn)程則是任務(wù)調(diào)度的基本單位。內(nèi)核中的任務(wù)調(diào)度實(shí)際是在調(diào)度線(xiàn)程，進(jìn)程只是給線(xiàn)程提供虛擬內(nèi)存、全局變量等資源。線(xiàn)程上下文切換時(shí)，共享相同的虛擬內(nèi)存和全局變量等資源不需要修改。而線(xiàn)程自己的私有數(shù)據(jù)，如棧和寄存器等，上下文切換時(shí)需要保存。

關(guān)于進(jìn)程和線(xiàn)程的區(qū)別：

因此線(xiàn)程上下文切換有兩種情況：

中斷上下文切換

上下文切換有時(shí)也因硬件中斷而觸發(fā)。硬件中斷是指硬件設(shè)備（如鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、調(diào)試解調(diào)器、系統(tǒng)時(shí)鐘）給內(nèi)核發(fā)送的一個(gè)信號(hào)，該信號(hào)表示一個(gè)事件（如按鍵、鼠標(biāo)移動(dòng)、從網(wǎng)絡(luò)連接接收到數(shù)據(jù)）發(fā)生了。

為了快速響應(yīng)硬件的事件，中斷處理會(huì)打斷進(jìn)程的正常調(diào)度和執(zhí)行，然后調(diào)用中斷處理程序，響應(yīng)設(shè)備事件。在打斷其他進(jìn)程時(shí)，需要先將進(jìn)程當(dāng)前的狀態(tài)保存下來(lái)，等中斷結(jié)束后，進(jìn)程仍然可以恢復(fù)回來(lái)。

跟進(jìn)程上下文不同，中斷上下文切換不涉及進(jìn)程的用戶(hù)態(tài)。所以，即便中斷過(guò)程打斷了一個(gè)正處在用戶(hù)態(tài)的進(jìn)程，也不需要保存和恢復(fù)這個(gè)進(jìn)程的虛擬內(nèi)存、全局變量等用戶(hù)態(tài)資源。中斷上下文，只包括內(nèi)核態(tài)中斷服務(wù)程序執(zhí)行所必需的狀態(tài)，也就是 CPU 寄存器、內(nèi)核堆棧、硬件中斷參數(shù)等。

中斷上下文切換并不涉及到進(jìn)程的用戶(hù)態(tài)。所以即便中斷過(guò)程打斷了一個(gè)正處在用戶(hù)態(tài)的進(jìn)程，也不需要保存和恢復(fù)這個(gè)進(jìn)程的虛擬內(nèi)存、全局變量等用戶(hù)態(tài)資源。中斷上下文，其實(shí)只包括內(nèi)核態(tài)中斷服務(wù)程序執(zhí)行所必須的狀態(tài)，包括 CPU 寄存器、內(nèi)核堆棧、硬件中斷參數(shù)等。

對(duì)同一個(gè) CPU 來(lái)說(shuō)，中斷處理比進(jìn)程擁有更高的優(yōu)先級(jí)，所以中斷上下文切換不會(huì)與進(jìn)程上下文切換同時(shí)發(fā)生。并且，由于中斷會(huì)打斷正常進(jìn)程的調(diào)度和執(zhí)行，所以大部分中斷處理程序都短小精悍，以便可以盡快完成。

上下文切換的消耗

上下文切換通常是計(jì)算密集型的。也就是說(shuō)，它需要相當(dāng)可觀的處理器時(shí)間，在每秒幾十上百次的切換中，每次切換都需要納秒量級(jí)的時(shí)間。所以，上下文切換對(duì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)意味著消耗大量的 CPU 時(shí)間，事實(shí)上，可能是操作系統(tǒng)中時(shí)間消耗最大的操作。

Linux相比與其他操作系統(tǒng)（包括其他類(lèi) Unix 系統(tǒng)）有很多的優(yōu)點(diǎn)，其中有一項(xiàng)就是，其上下文切換和模式切換的時(shí)間消耗非常少。

根據(jù)Tsuna的測(cè)試報(bào)告，每次上下文切換都需要幾十納秒到數(shù)微妙的CPU時(shí)間，這個(gè)時(shí)間還是相當(dāng)可觀的。不管是哪種場(chǎng)景導(dǎo)致的上下文切換，你都應(yīng)該知道：

補(bǔ)充：vmstat命令查看整體CPU上下文切換情況

上面已經(jīng)介紹到CPU上下文切換分為進(jìn)程上下文切換、線(xiàn)程上下文切換、中斷上下文切換，那么過(guò)多的上下文切換會(huì)把CPU的時(shí)間消耗在寄存器、內(nèi)核棧以及虛擬內(nèi)存等數(shù)據(jù)的保存和恢復(fù)上，縮短進(jìn)程真正運(yùn)行的時(shí)間，成為系統(tǒng)性能大幅下降的一個(gè)因素

所以我們可以使用vmstat這個(gè)工具來(lái)查詢(xún)系統(tǒng)的上下文切換情況，vmstat是一個(gè)常用的系統(tǒng)性能分析工具，可以用來(lái)分析CPU上下文切換和中斷的次數(shù)執(zhí)行如下的命令：vmstat 5（每隔5s輸出一組數(shù)據(jù)）該命令輸出信息中，各個(gè)字段以及含義：

procs：procs 中有 r 和 b 列，它報(bào)告進(jìn)程統(tǒng)計(jì)信息。在上面的輸出中，在運(yùn)行隊(duì)列（r）中有兩個(gè)進(jìn)程在等待 CPU 并有零個(gè)休眠進(jìn)程（b）。通常，它不應(yīng)該超過(guò)處理器（或核心）的數(shù)量，如果你發(fā)現(xiàn)異常，最好使用 top 命令進(jìn)一步地排除故障。

memory：memory 下有報(bào)告內(nèi)存統(tǒng)計(jì)的 swpd、free、buff 和 cache 列。你可以用 free -m 命令看到同樣的信息。在上面的內(nèi)存統(tǒng)計(jì)中，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以千字節(jié)表示，這有點(diǎn)難以理解，最好添加 M 參數(shù)來(lái)看到以兆字節(jié)為單位的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

swap：swap 有 si 和 so 列，用于報(bào)告交換內(nèi)存統(tǒng)計(jì)信息。你可以用 free -m 命令看到相同的信息。

I/O：I/O 有 bi 和 bo 列，它以“塊讀取”和“塊寫(xiě)入”的單位來(lái)報(bào)告每秒磁盤(pán)讀取和寫(xiě)入的塊的統(tǒng)計(jì)信息。如果你發(fā)現(xiàn)有巨大的 I/O 讀寫(xiě)，最好使用 iotop 和 iostat 命令來(lái)查看。

system：system 有 in 和 cs 列，它報(bào)告每秒的系統(tǒng)操作。

CPU：CPU 有 us、sy、id 和 wa 列，報(bào)告（所用的） CPU 資源占總 CPU 時(shí)間的百分比。如果你發(fā)現(xiàn)異常，最好使用 top 和 free 命令。