我們都知道cpu上下文切換，會增加系統負載。那什麼是cpu上下文，為什麼要切換？
我們都知道，linux 是乙個多工作業系統，它支援遠大於 cpu 數量的任務同時執行。當然，這些任務實際上並不是真的在同時執行，而是因為系統在很短的時間內，將 cpu 輪流分配給它們，造成多工同時執行的錯覺。
而在每個任務執行前，cpu 都需要知道任務從**載入、又從**開始執行，也就是說，需要系統事先幫它設定好cpu 暫存器和程式計數器(program counter，pc)。
cpu 暫存器，是 cpu 內建的容量小、但速度極快的記憶體。而程式計數器，則是用來儲存 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 在執行任何任務前，必須的依賴環境，因此也被叫做cpu 上下文。
而這些儲存下來的上下文，會儲存在系統核心中，並在任務重新排程執行時再次載入進來。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執行。
根據任務的不同，cpu的上下文切換可以分為不同的場景，也就是程序上下文切換、執行緒上下文切換、中斷上下文切換。
linux 按照特權等級，把程序的執行空間分為核心空間和使用者空間，分別對應著下圖中， cpu 特權等級的 ring 0 和 ring 3。
換個角度看，也就是說，程序既可以在使用者空間執行，又可以在核心空間中執行。程序在使用者空間執行時，被稱為程序的使用者態，而陷入核心空間的時候，被稱為程序的核心態。
從使用者態到核心態的轉變，需要通過系統呼叫來完成。比如，當我們檢視檔案內容時，就需要多次系統呼叫來完成：首先呼叫 open() 開啟檔案，然後呼叫 read() 讀取檔案內容，並呼叫 write() 將內容寫到標準輸出，最後再呼叫 close() 關閉檔案。
那麼，系統呼叫的過程有沒有發生 cpu 上下文的切換呢？答案自然是肯定的。
cpu 暫存器裡原來使用者態的指令位置，需要先儲存起來。接著，為了執行核心態**，cpu 暫存器需要更新為核心態指令的新位置。最後才是跳轉到核心態執行核心任務。
而系統呼叫結束後，cpu 暫存器需要恢復原來使用者儲存的狀態，然後再切換到使用者空間，繼續執行程序。所以，一次系統呼叫的過程，其實是發生了兩次 cpu 上下文切換。
不過，需要注意的是，系統呼叫過程中，並不會涉及到虛擬記憶體等程序使用者態的資源，也不會切換程序。這跟我們通常所說的程序上下文切換是不一樣的：
所以，系統呼叫過程通常稱為特權模式切換，而不是上下文切換。但實際上，系統呼叫過程中，cpu 的上下文切換還是無法避免的。
那麼，程序上下文切換跟系統呼叫又有什麼區別呢？
首先，你需要知道，程序是由核心來管理和排程的，程序的切換只能發生在核心態。所以，程序的上下文不僅包括了虛擬記憶體、棧、全域性變數等使用者空間的資源，還包括了核心堆疊、暫存器等核心空間的狀態。
因此，程序的上下文切換就比系統呼叫時多了一步：在儲存當前程序的核心狀態和 cpu 暫存器之前，需要先把該程序的虛擬記憶體、棧等儲存下來；而載入了下一程序的核心態後，還需要重新整理程序的虛擬記憶體和使用者棧。
如下圖所示，儲存上下文和恢復上下文的過程並不是「免費」的，需要核心在 cpu 上執行才能完成。
根據測試報告，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，特別是在程序上下文切換次數較多的情況下，很容易導致 cpu 將大量時間耗費在暫存器、核心棧以及虛擬記憶體等資源的儲存和恢復上，進而大大縮短了真正執行程序的時間。這也正是上一節中我們所講的，導致平均負載公升高的乙個重要因素。
另外，我們知道， linux 通過 tlb(translation lookaside buffer)來管理虛擬記憶體到物理記憶體的對映關係。當虛擬記憶體更新後，tlb 也需要重新整理，記憶體的訪問也會隨之變慢。特別是在多處理器系統上，快取是被多個處理器共享的，重新整理快取不僅會影響當預處理器的程序，還會影響共享快取的其他處理器的程序。
知道了程序上下文切換潛在的效能問題後，我們再來看，究竟什麼時候會切換程序上下文。
顯然，程序切換時才需要切換上下文，換句話說，只有在程序排程的時候，才需要切換上下文。linux 為每個 cpu 都維護了乙個就緒佇列，將活躍程序(即正在執行和正在等待 cpu 的程序)按照優先順序和等待 cpu 的時間排序，然後選擇最需要 cpu 的程序，也就是優先順序最高和等待 cpu 時間最長的程序來執行。
那麼，程序在什麼時候才會被排程到 cpu 上執行呢？
最容易想到的乙個時機，就是程序執行完終止了，它之前使用的 cpu 會釋放出來，這個時候再從就緒佇列裡，拿乙個新的程序過來執行。其實還有很多其他場景，也會觸發程序排程，在這裡我給你逐個梳理下。
其一，為了保證所有程序可以得到公平排程，cpu 時間被劃分為一段段的時間片，這些時間片再**流分配給各個程序。這樣，當某個程序的時間片耗盡了，就會被系統掛起，切換到其它正在等待 cpu 的程序執行。
其二，程序在系統資源不足(比如記憶體不足)時，要等到資源滿足後才可以執行，這個時候程序也會被掛起，並由系統排程其他程序執行。
其三，當程序通過睡眠函式 sleep 這樣的方法將自己主動掛起時，自然也會重新排程。
其四，當有優先順序更高的程序執行時，為了保證高優先順序程序的執行，當前程序會被掛起，由高優先順序程序來執行。
最後乙個，發生硬體中斷時，cpu 上的程序會被中斷掛起，轉而執行核心中的中斷服務程式。
了解這幾個場景是非常有必要的，因為一旦出現上下文切換的效能問題，它們就是幕後**。
說完了程序的上下文切換，我們再來看看執行緒相關的問題。
執行緒與程序最大的區別在於，執行緒是排程的基本單位，而程序則是資源擁有的基本單位。說白了，所謂核心中的任務排程，實際上的排程物件是執行緒；而程序只是給執行緒提供了虛擬記憶體、全域性變數等資源。所以，對於執行緒和程序，我們可以這麼理解：
這麼一來，執行緒的上下文切換其實就可以分為兩種情況：
第一種， 前後兩個執行緒屬於不同程序。此時，因為資源不共享，所以切換過程就跟程序上下文切換是一樣。
第二種，前後兩個執行緒屬於同乙個程序。此時，因為虛擬記憶體是共享的，所以在切換時，虛擬記憶體這些資源就保持不動，只需要切換執行緒的私有資料、暫存器等不共享的資料。
到這裡你應該也發現了，雖然同為上下文切換，但同程序內的執行緒切換，要比多程序間的切換消耗更少的資源，而這，也正是多執行緒代替多程序的乙個優勢。
為了快速響應硬體的事件，中斷處理會打斷程序的正常排程和執行，轉而呼叫中斷處理程式，響應裝置事件。而在打斷其他程序時，就需要將程序當前的狀態儲存下來，這樣在中斷結束後，程序仍然可以從原來的狀態恢復執行。
對同乙個 cpu 來說，中斷處理比程序擁有更高的優先順序，所以中斷上下文切換並不會與程序上下文切換同時發生。同樣道理，由於中斷會打斷正常程序的排程和執行，所以大部分中斷處理程式都短小精悍，以便盡可能快的執行結束。
另外，跟程序上下文切換一樣，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效能。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效能問題。
程序上下文與中斷上下文的理解
一.什麼是核心態和使用者態 使用者態 使用者程式執行空間。1.程序上下文 1 程序上文 其是指程序由使用者態切換到核心態是需要儲存使用者態時cpu暫存器中的值，程序狀態以及堆疊上的內容，即儲存當前程序的程序上下文，以便再次執行該程序時，能夠恢復切換時的狀態，繼續執行。2 程序下文 其是指切換到核心態...
程序上下文與中斷上下文的理解
使用者態 使用者程式執行空間。1.程序上下文 1 程序上文 其是指程序由使用者態切換到核心態是需要儲存使用者態時cpu暫存器中的值，程序狀態以及堆疊上的內容，即儲存當前程序的程序上下文，以便再次執行該程序時，能夠恢復切換時的狀態，繼續執行。2 程序下文 其是指切換到核心態後執行的程式，即程序執行在核...
程序上下文與中斷上下文的理解
使用者態 使用者程式執行空間。1.程序上下文 1 程序上文 其是指程序由使用者態切換到核心態是需要儲存使用者態時cpu暫存器中的值，程序狀態以及堆疊上的內容，即儲存當前程序的程序上下文，以便再次執行該程序時，能夠恢復切換時的狀態，繼續執行。2 程序下文 其是指切換到核心態後執行的程式，即程序執行在核...