CPU上下文切换
什么是 CPU 上下文切换
CPU 寄存器，是 CPU 内置的容量小、但速度极快的内存。程序计数器，则是用来存储 CPU 正在执行的指令位置、或者即将执行的下一条指令位置。它们都是 CPU 在运行任何任务前，必须的依赖环境，因此也被叫做CPU 上下文。
CPU 上下文切换，就是先把前一个任务的 CPU 上下文（也就是 CPU 寄存器和程序计数器）保存起来，然后加载新任务的上下文到这些寄存器和程序计数器，最后再跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务。
进程上下文切换
Linux 按照特权等级，把进程的运行空间分为内核空间和用户空间。
- 内核空间（Ring 0）具有最高权限，可以直接访问所有资源。
- 用户空间（Ring 3）只能访问受限资源，不能直接访问内存等硬件设备，必须通过系统调用陷入到内核中，才能访问这些特权资源。
- 系统调用(特权模式切换):一个进程用户态与内核态的互相转变
- 上下文切换:从一个进程切换到另一个进程运行
- 虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源
- 内核堆栈、寄存器等内核空间的状态
一次系统调用的过程，发生了两次 CPU 上下文切换。
什么时候会发生？
- 进程 CPU 时间片耗尽，被系统挂起，切换到其他正在等待 CPU 的进程
- 系统资源不足时进程被系统挂起，系统调度其他进程运行
- 进程通过睡眠函数 sleep 这样的方法将自己主动挂起
- 有优先级更高的进程运行，当前程序会被挂起
- 发生硬件中断，转而执行内核中的终端服务程序
线程上下文切换
线程与进程的区别
- 线程是调度的基本单位，而进程是资源拥有的基本单位
- 当进程只有一个线程时，可以认为进程就等于线程
- 当进程拥有多个线程时，这些线程会共享相同的虚拟内存和全局变量等资源，在上下文切换时，这些资源不需要修改
- 线程有自己的私有数据，例如栈和寄存器等，在上下文切换时需要保存
什么时候会发生
- 前后两个线程属于不同进程。此时因为资源不共享，因此等同于进程上下文切换
- 前后两个线程属于同一个进程，因为虚拟内存共享，所以只需要切换私有数据、寄存器等不共享的数据
虽然同为上下文切换，但同进程内的线程切换，要比多进程间的切换消耗更少的资源，而这，也正是多线程代替多进程的一个优势。
中断上下文切换
- 中断处理会打断进程的正常调度和执行
- 对同一个 CPU 来说，中断处理比进程拥有更高的优先级
怎么查看系统的上下文切换情况
vmstat
vmstat 是一个常用的系统性能分析工具，主要用来分析系统的内存使用情况，也常用来分析 CPU 上下文切换和中断的次数。
- 需要特别关注的四列内容：
- cs(context switch) 表示每秒上下文切换的次数
- in(interrupt)表示每秒中断次数
- r(Running or Runnable)表示就绪队列的长度，也就是正在运行和等待 CPU 的进程数
- b(Blocked)表示处于不可中断睡眠状态的进程数 #每隔 5 秒输出一组数据
pidstat
vmstat 只给出了系统总体的上下文切换情况，要想查看每个进程的详细情况，就需要使用 pidstat 了。给它加上 -w 选项，你就可以查看每个进程上下文切换的情况了。
- 需要特别关注的两列内容
- cswch 表示每秒自愿上下文切换的次数
- nvcswch 表示每秒非自愿上下文切换的次数
- 自愿上下文切换：进程无法获取所需资源
- 非自愿上下文切换：进程由于时间片已到等原因，被系统强制调度
- 自愿上下文切换变多了，说明进程都在等待资源，有可能发生了 IO 等其他问题
- 非自愿上下文切换变多了，说明进程都在被强制调度，即在争抢 CPU，说明 CPU 成为瓶颈
- 中断次数变多了，说明 CPU 被中断处理程序占用，还需要通过查看/proc/interrupts 文件来分析具体的中断类型
小结：
不管是哪种场景导致的上下文切换，我们应该知道：
- CPU 上下文切换，是保证 Linux 系统正常工作的核心功能之一，一般情况下不需要我们特别关注。
- 但过多的上下文切换，会把 CPU 时间消耗在寄存器、内核栈以及虚拟内存等数据的保存和恢复上，从而缩短进程真正运行的时间，导致系统的整体性能大幅下降。
碰到上下文切换次数过多的问题时，我们可以借助 vmstat 、 pidstat 和 /proc/interrupts 等工具，来辅助排查性能问题的根源。