上一篇文章，介紹了要怎麼理解平均負載（ Load Average），並用三個案例展示了不同場景下平均負載升高的分析方法。這其中，多個進程競爭 CPU 就是一個經常被我們忽視的問題。
我想你一定很好奇，進程在競爭 CPU 的時候並沒有真正運行，爲什麼還會導致系統的負載升高呢？看到今天的主題，你應該已經猜到了，CPU 上下文切換就是罪魁禍首。
我們都知道，Linux 是一個多任務操作系統，它支持遠大於 CPU 數量的任務同時運行。當然，這些任務實際上並不是真的在同時運行，而是因爲系統在很短的時間內，將 CPU 輪流分配給它們，造成多任務同時運行的錯覺。
而在每個任務運行前，CPU 都需要知道任務從哪裏加載、又從哪裏開始運行，也就是說，需要系統事先幫它設置好 CPU 寄存器和程序計數器（Program Counter，PC）。
CPU 寄存器，是 CPU 內置的容量小、但速度極快的內存。而程序計數器，則是用來存儲 CPU 正在執行的指令位置、或者即將執行的下一條指令位置。它們都是 CPU 在運行任何任務前，必須的依賴環境，因此也被叫做 CPU 上下文。
知道了什麼是 CPU 上下文，我想你也很容易理解 CPU 上下文切換。CPU 上下文切換，就是先把前一個任務的 CPU 上下文（也就是 CPU 寄存器和程序計數器）保存起來，然後加載新任務的上下文到這些寄存器和程序計數器，最後再跳轉到程序計數器所指的新位置，運行新任務。
而這些保存下來的上下文，會存儲在系統內核中，並在任務重新調度執行時再次加載進來。這樣就能保證任務原來的狀態不受影響，讓任務看起來還是連續運行。
我猜肯定會有人說，CPU 上下文切換無非就是更新了 CPU 寄存器的值嘛，但這些寄存器，本身就是爲了快速運行任務而設計的，爲什麼會影響系統的 CPU 性能呢？
在回答這個問題前，不知道你有沒有想過，操作系統管理的這些“任務”到底是什麼呢？
也許你會說，任務就是進程，或者說任務就是線程。是的，進程和線程正是最常見的任務。但是除此之外，還有沒有其他的任務呢？
不要忘了，硬件通過觸發信號，會導致中斷處理程序的調用，也是一種常見的任務。
所以，根據任務的不同，CPU 的上下文切換就可以分爲幾個不同的場景，也就是進程上下文切換、線程上下文切換以及中斷上下文切換。
下面就來看看 怎麼理解這幾個不同的上下文切換，以及它們爲什麼會引發 CPU 性能相關問題。
進程上下文切換
Linux 按照特權等級，把進程的運行空間分爲內核空間和用戶空間，分別對應着下圖中， CPU 特權等級的 Ring 0 和 Ring 3。
內核空間（Ring 0）具有最高權限，可以直接訪問所有資源；
用戶空間（Ring 3）只能訪問受限資源，不能直接訪問內存等硬件設備，必須通過系統調用陷入到內核中，才能訪問這些特權資源。
換個角度看，也就是說，進程既可以在用戶空間運行，又可以在內核空間中運行。進程在用戶空間運行時，被稱爲進程的用戶態，而陷入內核空間的時候，被稱爲進程的內核態。
從用戶態到內核態的轉變，需要通過系統調用來完成。比如，當我們查看文件內容時，就需要多次系統調用來完成：首先調用 open() 打開文件，然後調用 read() 讀取文件內容，並調用 write() 將內容寫到標準輸出，最後再調用 close() 關閉文件。
那麼，系統調用的過程有沒有發生 CPU 上下文的切換呢？答案自然是肯定的。
CPU 寄存器裏原來用戶態的指令位置，需要先保存起來。接着，爲了執行內核態代碼，CPU 寄存器需要更新爲內核態指令的新位置。最後纔是跳轉到內核態運行內核任務。
而系統調用結束後，CPU 寄存器需要恢復原來保存的用戶態，然後再切換到用戶空間，繼續運行進程。所以，一次系統調用的過程，其實是發生了兩次 CPU 上下文切換。
不過，需要注意的是，系統調用過程中，並不會涉及到虛擬內存等進程用戶態的資源，也不會切換進程。這跟我們通常所說的進程上下文切換是不一樣的：
進程上下文切換，是指從一個進程切換到另一個進程運行。
而系統調用過程中一直是同一個進程在運行。
所以，系統調用過程通常稱爲特權模式切換，而不是上下文切換。但實際上，系統調用過程中，CPU 的上下文切換還是無法避免的。
那麼，進程上下文切換跟系統調用又有什麼區別呢？
首先，你需要知道，進程是由內核來管理和調度的，進程的切換隻能發生在內核態。所以，進程的上下文不僅包括了虛擬內存、棧、全局變量等用戶空間的資源，還包括了內核堆棧、寄存器等內核空間的狀態。
因此，進程的上下文切換就比系統調用時多了一步：在保存當前進程的內核狀態和 CPU 寄存器之前，需要先把該進程的虛擬內存、棧等保存下來；而加載了下一進程的內核態後，還需要刷新進程的虛擬內存和用戶棧。
如下圖所示，保存上下文和恢復上下文的過程並不是“免費”的，需要內核在 CPU 上運行才能完成。
根據 Tsuna 的測試報告，每次上下文切換都需要幾十納秒到數微秒的 CPU 時間。這個時間還是相當可觀的，特別是在進程上下文切換次數較多的情況下，很容易導致 CPU 將大量時間耗費在寄存器、內核棧以及虛擬內存等資源的保存和恢復上，進而大大縮短了真正運行進程的時間。這也正是上一節中我們所講的，導致平均負載升高的一個重要因素。
另外，我們知道， Linux 通過 TLB（Translation Lookaside Buffer）來管理虛擬內存到物理內存的映射關係。當虛擬內存更新後，TLB 也需要刷新，內存的訪問也會隨之變慢。特別是在多處理器系統上，緩存是被多個處理器共享的，刷新緩存不僅會影響當前處理器的進程，還會影響共享緩存的其他處理器的進程。
知道了進程上下文切換潛在的性能問題後，我們再來看，究竟什麼時候會切換進程上下文。
顯然，進程切換時才需要切換上下文，換句話說，只有在進程調度的時候，才需要切換上下文。Linux 爲每個 CPU 都維護了一個就緒隊列，將活躍進程（即正在運行和正在等待 CPU 的進程）按照優先級和等待 CPU 的時間排序，然後選擇最需要 CPU 的進程，也就是優先級最高和等待 CPU 時間最長的進程來運行。
那麼，進程在什麼時候纔會被調度到 CPU 上運行呢？
最容易想到的一個時機，就是進程執行完終止了，它之前使用的 CPU 會釋放出來，這個時候再從就緒隊列裏，拿一個新的進程過來運行。其實還有很多其他場景，也會觸發進程調度，在這裏我給你逐個梳理下。
其一，爲了保證所有進程可以得到公平調度，CPU 時間被劃分爲一段段的時間片，這些時間片再被輪流分配給各個進程。這樣，當某個進程的時間片耗盡了，就會被系統掛起，切換到其它正在等待 CPU 的進程運行。
其二，進程在系統資源不足（比如內存不足）時，要等到資源滿足後纔可以運行，這個時候進程也會被掛起，並由系統調度其他進程運行。
其三，當進程通過睡眠函數 sleep 這樣的方法將自己主動掛起時，自然也會重新調度。
其四，當有優先級更高的進程運行時，爲了保證高優先級進程的運行，當前進程會被掛起，由高優先級進程來運行。
最後一個，發生硬件中斷時，CPU 上的進程會被中斷掛起，轉而執行內核中的中斷服務程序。
瞭解這幾個場景是非常有必要的，因爲一旦出現上下文切換的性能問題，它們就是幕後兇手。
線程上下文切換
說完了進程的上下文切換，我們再來看看線程相關的問題。
線程與進程最大的區別在於，線程是調度的基本單位，而進程則是資源擁有的基本單位。說白了，所謂內核中的任務調度，實際上的調度對象是線程；而進程只是給線程提供了虛擬內存、全局變量等資源。所以，對於線程和進程，我們可以這麼理解：
當進程只有一個線程時，可以認爲進程就等於線程。
當進程擁有多個線程時，這些線程會共享相同的虛擬內存和全局變量等資源。這些資源在上下文切換時是不需要修改的。
另外，線程也有自己的私有數據，比如棧和寄存器等，這些在上下文切換時也是需要保存的。
這麼一來，線程的上下文切換其實就可以分爲兩種情況：
第一種， 前後兩個線程屬於不同進程。此時，因爲資源不共享，所以切換過程就跟進程上下文切換是一樣。
第二種，前後兩個線程屬於同一個進程。此時，因爲虛擬內存是共享的，所以在切換時，虛擬內存這些資源就保持不動，只需要切換線程的私有數據、寄存器等不共享的數據。
到這裏你應該也發現了，雖然同爲上下文切換，但同進程內的線程切換，要比多進程間的切換消耗更少的資源，而這，也正是多線程代替多進程的一個優勢。
中斷上下文切換
除了前面兩種上下文切換，還有一個場景也會切換 CPU 上下文，那就是中斷。
爲了快速響應硬件的事件，中斷處理會打斷進程的正常調度和執行，轉而調用中斷處理程序，響應設備事件。而在打斷其他進程時，就需要將進程當前的狀態保存下來，這樣在中斷結束後，進程仍然可以從原來的狀態恢復運行。
跟進程上下文不同，中斷上下文切換並不涉及到進程的用戶態。所以，即便中斷過程打斷了一個正處在用戶態的進程，也不需要保存和恢復這個進程的虛擬內存、全局變量等用戶態資源。中斷上下文，其實只包括內核態中斷服務程序執行所必需的狀態，包括 CPU 寄存器、內核堆棧、硬件中斷參數等。
對同一個 CPU 來說，中斷處理比進程擁有更高的優先級，所以中斷上下文切換並不會與進程上下文切換同時發生。同樣道理，由於中斷會打斷正常進程的調度和執行，所以大部分中斷處理程序都短小精悍，以便儘可能快的執行結束。
另外，跟進程上下文切換一樣，中斷上下文切換也需要消耗 CPU，切換次數過多也會耗費大量的 CPU，甚至嚴重降低系統的整體性能。所以，當你發現中斷次數過多時，就需要注意去排查它是否會給你的系統帶來嚴重的性能問題。
小結
總結一下，不管是哪種場景導致的上下文切換，你都應該知道：
CPU 上下文切換，是保證 Linux 系統正常工作的核心功能之一，一般情況下不需要我們特別關注。
但過多的上下文切換，會把 CPU 時間消耗在寄存器、內核棧以及虛擬內存等數據的保存和恢復上，從而縮短進程真正運行的時間，導致系統的整體性能大幅下降。
今天主要介紹這幾種上下文切換的工作原理，後續文章我將繼續案例實戰，說說上下文切換問題的分析方法