首先先談一下程序計數器(Program Counter)，計算機中提供要從存儲器中取出的下一個指令地址的寄存器，通常情況下，每一個指令取出後寄存器就自動增加一步就如《微機原理》當中的 PC = PC + 1 ，在 x86 體系裏是這樣。x86 系統中自增的是 IP，用 CS:IP 組合表示正在執行的指令地址，此時 PC 只是一個概念上的說法。在 ARM 體系中 R15 就是 PC，當然 ARM 和 IA-32、x64 都支持高級內存管理，所以「PC」的內容未必是當前指令在內存中的絕對位置。
CPU 上下文 可以理解成 CPU寄存器狀態以及程序計數器PC ， 這些都是記錄CPU當前任務的狀態。CPU 上下文切換 會把當前的cpu的上下文保存下來，然後加載新任務的對應上下文，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。
任務一般包括:
1.進程
2.線程
3.中斷上下文
CPU 上下文的切換會因特權模式切換、進程上下文切換、線程上下文切換以及中斷上下文切換 產生。
特權模式切換
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。
進程可以在用戶空間運行，也可以在內核空間運行。 當調用open()、read()、write()、close()系統函數,CPU會保存原來用戶態的指令位置，然後更新CPU寄存器內核態指令的新位置。最後執行內核態函數。當系統調用結束後，CPU恢復原來的用戶態，切換回用戶空間繼續執行進程。
可以看到 用戶態->內核態， 內核態->用戶態 這兩個過程總共是產生了兩次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
進程上下文切換
進程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，與系統調用相比進程間的切換還需要把內容保存下來。
進程上下文切換數量多，容易導致CPU花費更多的時間在寄存器、虛擬內存、內核棧等資源的保存和恢復上，減少了進程運行時間，致使平均負載升高。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。
進程上下文切換髮生在進程調度的過程。
主要在以下場景觸發：
CPU時間是被劃分成各個時間片，當前進程的時間片被耗盡之後會被系統掛起，切換到其他正在等待CPU的進程來運行。
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。
當進程通過睡眠函數 sleep 或者 sched_yield 這樣的方法將自己主動掛起時，自然也會重新調度。
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。
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。
線程上下文切換
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。linux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。進程中只有一個線程，進程等於線程。因爲同一進程下線程是共享虛擬內存，相關間的切換隻需保存其私有數據、寄存器等，因此進程內的線程切換比進程間的切換消耗更少資源。
中斷上下文切換
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。
CPU上下文切分析
vmstat 是一個常用的系統性能分析工具，主要用來分析系統的內存使用情況，也常用來分析 CPU 上下文切換和中斷的次數。
root@ECSab169d:~# vmstat 5
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st
1 0 90720 3960176 1036 3014980 0 0 35 85 0 1 1 0 98 0 0
0 0 90720 3959928 1036 3015004 0 0 0 24 240 358 0 0 99 0 0
0 1 90720 3959356 1036 3015068 0 0 0 34 260 390 1 0 99 0 0
0 0 90720 3959204 1036 3015088 0 0 0 23 234 340 0 0 99 0 0
0 0 90720 3960708 1036 3015088 0 0 0 609 297 429 0 0 99 0 0
0 0 90720 3960772 1036 3015112 0 0 0 140 295 410 0 0 99 0 0
0 0 90720 3960688 1036 3015164 0 0 0 36 269 406 0 0 99 0 0r 是就緒隊列的長度，也就是正在運行和等待 CPU 的進程數。
b 則是處於不可中斷睡眠狀態的進程數
swpd 交換分區大小，一般在內存不足的情況會使用swap進行擴展。
free 空閒的物理內存的大小，我的機器內存總共8G，剩餘3415M。
buff Linux/Unix系統是用來存儲，目錄裏面有什麼內容，權限等的緩存，我本機大概佔用300多M
cache cache直接用來記憶我們打開的文件,給文件做緩衝，我本機大概佔用300多M(這裏是Linux/Unix的聰明之處，把空閒的物理內存的一部分拿來做文件和目錄的緩存，是爲了提高 程序執行的性能，當程序使用內存時，buffer/cached會很快地被使用。)
si 每秒從磁盤讀入虛擬內存的大小，如果這個值大於0，表示物理內存不夠用或者內存泄露了，要查找耗內存進程解決掉。我的機器內存充裕，一切正常。
so 每秒虛擬內存寫入磁盤的大小，如果這個值大於0，同上。
bi 塊設備每秒接收的塊數量，這裏的塊設備是指系統上所有的磁盤和其他塊設備，默認塊大小是1024byte，我本機上沒什麼IO操作，所以一直是0，但是我曾在處理拷貝大量數據(2-3T)的機器上看過可以達到140000/s，磁盤寫入速度差不多140M每秒
bo 塊設備每秒發送的塊數量，例如我們讀取文件，bo就要大於0。bi和bo一般都要接近0，不然就是IO過於頻繁，需要調整。
in 每秒CPU的中斷次數，包括時間中斷
cs 每秒上下文切換次數
可以看到，這個例子中的上下文切換次數 cs 是 33 次，而系統中斷次數 in 則是 25 次，而就緒隊列長度 r 和不可中斷狀態進程數 b 都是 0。
vmstat 只給出了系統總體的上下文切換情況，要想查看每個進程的詳細情況，就需要使用我們前面提到過的 pidstat 了。給它加上 -w 選項，你就可以查看每個進程上下文切換的情況了。
root@xxxxx:~# pidstat -w 5
Linux 4.15.0-66-generic (xxxxx) 01/25/2021 _x86_64_ (4 CPU)
05:30:32 PM UID PID cswch/s nvcswch/s Command
05:30:37 PM 0 8 18.16 0.00 rcu_sched
05:30:37 PM 0 11 0.20 0.00 watchdog/0
05:30:37 PM 0 183 4.59 0.00 kworker/3:1H
05:30:37 PM 0 388 2.40 0.00 kworker/0:1H
05:30:37 PM 0 546 0.20 0.00 irqbalance
05:30:37 PM 0 621 9.98 0.00 qemu-ga
05:30:37 PM 109 663 0.40 0.00 uml_switch
05:30:37 PM 0 1275 0.40 0.00 master
05:30:37 PM 110 1277 0.20 0.00 qmgr
05:30:37 PM 0 5896 7.39 0.00 kworker/0:0
05:30:37 PM 0 13579 8.18 0.00 sshd
05:30:37 PM 0 13766 0.20 0.00 vmstat
05:30:37 PM 0 26398 5.19 0.00 kworker/u8:1
05:30:37 PM 0 28341 6.19 0.00 kworker/u8:2
05:30:37 PM 0 28898 5.99 1.40 bash
這個結果中有兩列內容是我們的重點關注對象。一個是 cswch ，表示每秒自願上下文切換（voluntary context switches）的次數，另一個則是 nvcswch ，表示每秒非自願上下文切換（non voluntary context switches）的次數。
謂自願上下文切換: 是指進程無法獲取所需資源，導致的上下文切換。比如說， I/O、內存等系統資源不足時，就會發生自願上下文切換。
非自願上下文切換: 則是指進程由於時間片已到等原因，被系統強制調度，進而發生的上下文切換。比如說，大量進程都在爭搶 CPU 時，就容易發生非自願上下文切換。
總結
自願上下文切換變多了，說明進程都在等待資源，有可能發生了 I/O 等其他問題；
非自願上下文切換變多了，說明進程都在被強制調度，也就是都在爭搶 CPU，說明 CPU 的確成了瓶頸；
中斷次數變多了，說明 CPU 被中斷處理程序佔用，還需要通過查看 /proc/interrupts 文件來分析具體的中斷類型