在linux中，上下文又叫CPU上下文，是CPU運(yùn)行任何任務(wù)前，必須依賴(lài)的環(huán)境，包括CPU寄存器和程序計(jì)數(shù)器；而上下文切換就是先把前一個(gè)任務(wù)的CPU上下文（也就是CPU寄存器和程序計(jì)數(shù)器）保存起來(lái)，然后加載新任務(wù)的上下文到這些寄存器和程序計(jì)數(shù)器，最后再跳轉(zhuǎn)到程序計(jì)數(shù)器所指的新位置，運(yùn)行新任務(wù)。

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本教程操作環(huán)境：linux7.3系統(tǒng)、Dell G3電腦。

1.什么是上下文？

Linux是一個(gè)多任務(wù)的操作系統(tǒng)，它支持遠(yuǎn)大于CPU數(shù)量的任務(wù)同時(shí)運(yùn)行，當(dāng)然，這些任務(wù)實(shí)際上并不是真正的在同時(shí)運(yùn)行，而是系統(tǒng)在很短的時(shí)間內(nèi)，將CPU輪流分配給他們，給用戶造成很多任務(wù)同時(shí)運(yùn)行的錯(cuò)覺(jué)。

在每個(gè)任務(wù)運(yùn)行前， CPU 都需要知道任務(wù)從哪里加載，又從哪里開(kāi)始運(yùn)行。也就是說(shuō)，需要系統(tǒng)事先給他設(shè)置好 CPU 寄存器和程序計(jì)數(shù)器（Program Counter,PC）

• CPU 寄存器：是 CPU 內(nèi)置的容量小、但速度極快的內(nèi)存

• 程序計(jì)數(shù)器：是用來(lái)存儲(chǔ) CPU 正在執(zhí)行的指令位置、或者即將執(zhí)行的下一條指令位置

綜上所述，我們就有答案了

什么是上下文：

我們通常說(shuō)的上下文又叫CPU上下文，是CPU運(yùn)行任何任務(wù)前，必須依賴(lài)的環(huán)境，包括CPU 寄存器和程序計(jì)數(shù)器

上下文切換：就是先把前一個(gè)任務(wù)的 CPU 上下文（也就是 CPU 寄存器和程序計(jì)數(shù)器）保存起來(lái)，然后加載新任務(wù)的上下文到這些寄存器和程序計(jì)數(shù)器，最后再跳轉(zhuǎn)到程序計(jì)數(shù)器所指的新位置，運(yùn)行新任務(wù)。

2.上下文切換詳細(xì)介紹

根據(jù)CPU切換運(yùn)行任務(wù)的不同，又可以分為進(jìn)程上下文切換、線程上下文切換、中斷上下文切換

我們先了解下面2個(gè)上下文切換涉及的知識(shí)點(diǎn)系統(tǒng)調(diào)用、進(jìn)程運(yùn)行態(tài)

進(jìn)程的運(yùn)行態(tài)：

Linux 按照特權(quán)等級(jí)，把進(jìn)程的運(yùn)行空間分為內(nèi)核空間和用戶空間 。在這兩種空間中運(yùn)行的進(jìn)程狀態(tài)分別稱(chēng)為內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)。

• 內(nèi)核空間(Ring 0)：具有最高權(quán)限，可以直接訪問(wèn)所有資源（讀取文件，）

  • 分配內(nèi)存、IO操作、創(chuàng)建子進(jìn)程……都是內(nèi)核操作。這也表明，當(dāng)IO操作頻繁時(shí)，System參數(shù)會(huì)很高。

• 用戶空間(Ring 3)：只能訪問(wèn)受限資源，不能直接訪問(wèn)內(nèi)存等硬件設(shè)備，必須通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入到內(nèi)核中，才能訪問(wèn)這些特權(quán)資源

  • 典型的用戶態(tài)空間程序有：Shells、數(shù)據(jù)庫(kù)、web服務(wù)器、PHP程序、Java程序……

在linux系統(tǒng)使用top命令查看cpu時(shí)，能看到user和system兩項(xiàng)，對(duì)應(yīng)的就是用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)占用的cpu資源

如上，我們的web服務(wù)是運(yùn)行在用戶態(tài)下的，對(duì)文件的io沒(méi)有權(quán)限，當(dāng)需要讀取文件時(shí)，就涉及到系統(tǒng)調(diào)用了

系統(tǒng)調(diào)用：

從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的轉(zhuǎn)變，需要通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用來(lái)完成。比如查看文件時(shí)，需要執(zhí)行多次系統(tǒng)調(diào)用：open、read、write、close等。系統(tǒng)調(diào)用的過(guò)程如下：

• 把 CPU 寄存器里原來(lái)用戶態(tài)的指令位置保存起來(lái)；

• 為了執(zhí)行內(nèi)核代碼，CPU 寄存器需要更新為內(nèi)核態(tài)指令的新位置，最后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核態(tài)運(yùn)行內(nèi)核任務(wù)；

• 系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束后，CPU 寄存器需要恢復(fù)原來(lái)保存的用戶態(tài)，然后再切換到用戶空間，繼續(xù)運(yùn)行進(jìn)程；

所以，一次系統(tǒng)調(diào)用的過(guò)程，其實(shí)是發(fā)生了兩次 CPU 上下文切換。

進(jìn)程上下文切換？

• 進(jìn)程執(zhí)行終止，它之前順頌的CPU就會(huì)被釋放出來(lái)，這時(shí)就從就緒隊(duì)列中取出下一個(gè)等待時(shí)間片的進(jìn)程；

• 當(dāng)某個(gè)進(jìn)程的時(shí)間片耗盡，它就會(huì)被系統(tǒng)掛起，切換到其他等待CPU的進(jìn)程運(yùn)行；

• 某個(gè)進(jìn)程因?yàn)樾枰南到y(tǒng)資源比較大(比如內(nèi)存不足),這時(shí)候該進(jìn)程會(huì)被掛起，系統(tǒng)會(huì)調(diào)度其他進(jìn)程執(zhí)行；

• 當(dāng)有優(yōu)先級(jí)更高的進(jìn)程(系統(tǒng)操作進(jìn)程)需要時(shí)間片，為了保證優(yōu)先級(jí)更高的進(jìn)程能夠執(zhí)行，當(dāng)前進(jìn)程會(huì)被掛起；

• 如果當(dāng)前進(jìn)程中有sleep函數(shù)，他也會(huì)被掛起；

線程的上下文切換？

對(duì)操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，線程是最小的執(zhí)行單元，進(jìn)程是最小的資源管理單元。說(shuō)白了，所謂內(nèi)核中的任務(wù)調(diào)用，實(shí)際上的調(diào)度對(duì)象是線程；而進(jìn)程只是給線程提供了虛擬內(nèi)存、全局變量等資源。所以，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)和進(jìn)程，我們可以這么理解：

• 當(dāng)進(jìn)程只有一個(gè)線程時(shí)，可以認(rèn)為進(jìn)程就等于線程。

• 當(dāng)進(jìn)程擁有多個(gè)線程時(shí)，這些線程會(huì)共享父進(jìn)程的資源（即共享相同的虛擬內(nèi)存和全局變量等資源）。這些資源在上下文切換時(shí)是不需要修改的。

• 另外，線程也有自己的私有數(shù)據(jù)，比如棧和寄存器等，這些在上下文切換時(shí)也是需要保存的。

綜上，線程上下文切換有兩種情況：

• 前后兩個(gè)線程屬于不同進(jìn)程，因?yàn)橘Y源不共享，所以切換過(guò)程就跟進(jìn)程上下文切換是一樣的；

• 前后兩個(gè)線程屬于同一個(gè)進(jìn)程，因?yàn)樘摂M內(nèi)存是共享的，所以在切換時(shí)，虛擬內(nèi)存這些資源就保持不動(dòng)，只需要切換線程的私有數(shù)據(jù)、寄存器等不共享的數(shù)據(jù)。

中斷上下文切換？

中斷處理會(huì)打斷進(jìn)程的正常調(diào)度和執(zhí)行。在打斷其他進(jìn)程時(shí)，需要將進(jìn)程當(dāng)前的狀態(tài)保存下來(lái)，中斷結(jié)束后，進(jìn)程仍然可以從原來(lái)的狀態(tài)恢復(fù)運(yùn)行。

中斷上下文切換并不涉及到進(jìn)程的用戶態(tài)。所以，即便中斷過(guò)程打斷了一個(gè)正處在用戶態(tài)的進(jìn)程，也不需要保存和恢復(fù)這個(gè)進(jìn)程的虛擬內(nèi)存、全局變量等用戶態(tài)資源。中斷上下文，其實(shí)只包括內(nèi)核態(tài)中斷服務(wù)程序執(zhí)行所必須的狀態(tài)，包括 CPU 寄存器、內(nèi)核堆棧、硬件中斷參數(shù)等。

小結(jié)

根據(jù)Tsuna的測(cè)試報(bào)告，每次上下文切換都需要幾十納秒到數(shù)微妙的CPU時(shí)間，這個(gè)時(shí)間還是相當(dāng)可觀的。

不管是哪種場(chǎng)景導(dǎo)致的上下文切換，你都應(yīng)該知道：

• CPU上下文切換，是保證Linux系統(tǒng)正常工作的核心功能之一，一般情況下不需要我們特別關(guān)注。

• 但過(guò)多的上下文切換，會(huì)把CPU時(shí)間消耗在寄存器、內(nèi)核棧以及虛擬內(nèi)存等數(shù)據(jù)的保存和恢復(fù)上，從而縮短進(jìn)程真正運(yùn)行的時(shí)間，導(dǎo)致系統(tǒng)的整體性能大幅下降。