什麼是上下文切換？
上下文換指的是操作系統的核心，在CPU上對進程或者線程進行切換的意思。上下文切換過程中的信息被保存在進程控制塊中的。
理解上下文切換
首先，大家不管在單核或多核處理器都支持多線程執行代碼，然後CPU通過給每個線程分配CPU時間片來實現這個過程的。什麼是時間片，時間片是CPU分配給各個線程的時間，時間片非常短。所以我們是平還是感覺不到，CPU不停切換線程執行，時間片一般就是幾十毫秒，就那麼一瞬間。
如何減少上下文切換
減少“上下文切換”常用有這種方法：無鎖併發編程、CAS算法、使用最少線程和使用協程。
無鎖併發編程：就是多線程競爭鎖時，會引起上下文切換，多線程處理數據時，可以用一 些辦法來避免使用鎖，如將數據的ID按照Hash算法取模分段，不同的線程處理不同段的數據。CAS算法：Java的Atomic包使用CAS算法來更新數據，就是它在沒有鎖的狀態下，可以保證多個線程對一個值的更新。使用最少線程：避免創建不需要的線程。協程：在單線程裏實現多任務的調度，並在單線程裏維持多個任務間的切換。
上下文切換的消耗
上下文切換，它是需要相當可觀的處理器時間的。當在每秒幾十上百次的切換中，每次切換都需要納秒量級的時間，所以時間是非常短，很多時候，我們是觀察不到 變化的。因此，對於上下文切換，會給系統帶來的是消耗大量的CPU時間。
上下文切換帶來的問題
除了進程需要上下文切換，其實還有一種上下文切換，那就是操作系統檢測到中斷、異常、系統調用時發生的，以及包括IO設備引起的中斷，應用程序主動發起系統調用(如文件讀寫)等等。如果操作系統檢測到中斷異常系統調用的信號後，會通過中斷向量表找到對應的處理程序，然後切換成處理程序進程，處理完成後再切換回來。
其實在系統調用時候，可能還會有用戶態到內核態的切換，這個過程更加爲複雜。在普通上下文，它會的開銷比普通上下文切換代價更大了。
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性能優化CPU篇（二）之CPU上下文切換（上）
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理解CPU上下文
- 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，也就是cpu用戶存儲指令的寄存器。
- 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，執行指令的寄存器。
- 當切換任務的時候，需要記錄任務當前的狀態和獲取下一任務的信息和地址(指針)，這就是上下文的內容。
- 因此，上下文是指某一時間點CPU寄存器(CPU register)和程序計數器(PC)的內容, 廣義上還包括內存中進程的虛擬地址映射信息.
- 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。
- 1 保存當前任務的上下文(即寄存器和程序計數器等所有狀態)
- 2 找到新任務的上下文並加載
- 3 切換到新任務的程序計數器位置，運行新任務
- 4 保存下來的上下文存儲在系統內核，當任務再次調度執行再次加載運行
- 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。
- 根據任務的不同，CPU的上下文切換可以分爲幾個不同的場景，也就是，線程上下文以及中斷上下文
- 進程上下文： 是指從一個進程切換到另一個進程。
一 進程上下文切換
- A 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
- 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，才能訪問到這些特權資源
- B 進程運行態爲內核運行態和進程運行態。內核空間態資源包括內核的堆棧、寄存器等；用戶空間態資源包括虛擬內存、棧、變量、正文、數據等
- C 系統調用(軟中斷)在內核態完成的，需要進行2次CPU上下文切換(用戶空間-->內核空間-->用戶空間不涉及用戶態資源，也不會切換進程,一直是同一個進程在運行。
- 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。
- D 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用戶空間的資源，也包括內核空間資源。
- E 進程上下文切換過程:
- (a)接收到切換信號，掛起進程，記錄當前進程的虛擬內存、棧等資源存儲;
- (b)將這個進程在 CPU 中的上下文狀態存儲於起來;
- (c)然後在內存中檢索下一個進程的上下文;
- (d)並將其加載到 CPU的寄存器中恢復;
- (e)還需要刷新進程的虛擬內存和用戶棧;
- (f)最後跳轉到程序計數器所指向的位置（即跳轉到進程被中斷時的代碼行），以恢復該進程。
- F 下列將會觸發進程上下文切換的場景：
- (a)、根據調度策略，將CPU時間劃片爲對應的時間片，當時間片耗盡，當前進程必須掛起。
- (b)、資源不足的，在獲取到足夠資源之前進程掛起。
- (c)、進程sleep掛起進程。
- (d)、高優先級進程導致當前進度掛起
- (e)、硬件中斷，導致當前進程掛起
二 線程上下文切換
- A 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。
- B 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。
- C 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。
- D 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。
三 中斷上下文切換
- A 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。
- B 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存器、內核堆棧、硬件中斷
- 參數等。
- C 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。
- D 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。
四 總結：
- 1.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。
- 2.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
- 覆上，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。
- 3 cpu上下文切換就好比一個人有好多朋友要拜訪
- 有的朋友房子大（進程），進進出出裏三層外三層，
- 有的朋友住帳篷（線程），就拉開帳篷聊聊天，
- 有的朋友就隔着窗戶說兩句話打個照面路過（中斷）
- 4 有哪些減少上下文切換的技術用例？
- 數據庫連接池（複用連接）、合理設置應用的最大進程，線程數、直接內存訪問DMA、零拷貝技術
- 5 虛擬內存的保存是指虛擬內存的映射關係；保存下來的上下文會存儲在內核管理的內存中