《上下文切换 —— 进程上下文切换、线程上下文切换、中断上下文切换》

一.CPU上下文简介

1. CPU 上下文分为包含以下两个组合:

1. CPU 指令寄存器（IR）：是 CPU 内置的容量小、但速度极快的内存

2. 程序计数器（PC）：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

2. CPU上下文切换

　　就是先把前一个任务的CPU上下文(也就是CPU寄存器中的数值和程序计数器)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。而保存下来的上下文，会存储在系统内核中，并在任务重新调度执行的时候再加载进来。这样就能保证任务原来的状态不受影响，让任务看起来还是连续运行。

3. CPU上下文 问题解读

3.1 CPU为什么要进行上下文切换？

当多个进程竞争CPU的时候，CPU为了保证每个进程能公平被调度运行，采取了处理任务时间分片的机制，轮流处理多个进程，由于CPU处理速度非常快，在人类的感官上认为是并行处理，实际是"伪"并行，同一时间只有一个任务在运行处理。

3.2 上下文切换主要消耗什么资源，为什么说上下文切换次数过多不可取？

• 根据 Tsuna 的测试报告，每次上下文切换都需要几十纳秒到到微秒的CPU时间，这些时间对CPU来说，就好比人类对1分钟或10分钟的感觉概念。

• 在分秒必争的计算机处理环境下，浪费太多时间在切换上，只能会降低真正处理任务的时间，表象上导致延时、排队、卡顿现象发生。

3.3 CPU上下文切换共分为三种

• 1. 进程上下文切换
• 2. 线程上下文切换
• 3. 中断上下文切换

3.3 什么情况下会触发上下文切换？

系统调用、进程状态转换(运行、就绪、阻塞)、时间片耗尽、系统资源不足、sleep、优先级调度、硬件中断等

4. 上下文切换类型

根据上下文切换的类型，可分：

4.1 自愿上下文切换：

进程无法获取所需资源，导致上下文切换

• 例如，I/O、内存等系统资源不足时，就会发生。（在等待资源获取或者信号）

4.2 非自愿上下文切换：

则是指进程由于时间片已到等原因，被系统强制调度，进而发生的上下文切换

• 例如，大量进程都在争抢 CPU 时，就容易发生非自愿上下文切换。

注意: 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 I/O 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，也就是都在争抢 CPU，说明 CPU 的确成了瓶颈；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。

二. 三种上下文切换细解

1.进程上下文切换

1.1 简介:

　　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，分别对应着下图中。CPU特权等级的Ring0 和 Ring3(也就是说Ring0和Ring3程序可以在CPU上运行)。

1. 内核空间(Ring 0)具有最高权限，可以直接访问所有资源。
2. 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。

　　换个角度看，也就是说，进程即可以在用户空间运行，又可以在内核空间中运行。进程在用户空间运行是，被称为进程的用户态，而陷入内核空间的时候，被称为进程的内核态。

　　从用户态到内核态的转变，需要通过系统调用来完成，比如当我们查看文件内容时，就需要多次系统调用来完成：首先调用open()打开文件，然后调用read()读取文件内容，并调用write()将内容写到标准输出，最后再调用close()关闭文件。

　　但需要指出的是，系统调用进程不会涉及进程切换，也不会涉及虚拟内存等系统资源切换。这与我们通常所说的“进程上下文切换”不同。进程上下文切换是指从一个进程切换到另一个进程，而系统调用期间始终运行同一个进程

　　系统调用过程通常被称为特权模式切换，而不是上下文切换。但实际上，在系统调用过程中，CPU 的上下文切换也是不可避免的。

备注：进程上下文切换分两种：进程从用户态切换到内核态、不同进程的切换。前者属于CPU上下文切换（是否需要保存虚拟内存这些？），后者实际上属于两个线程（两个线程属于两个不同的进程）的切换，因为线程才是调度的基本单位。（该备注只是个人理解，保留疑问）

进程上下文：

　　一个进程在执行时,CPU的所有寄存器中的值、进程的状态以及堆栈中的内容被称为该进程的上下文。

进程上下文切换 vs 系统调用

　　那么进程上下文切换和系统调用有什么区别呢？首先，进程是由内核管理的，进程切换只能发生在内核态。因此，进程上下文不仅包括虚拟内存、栈和全局变量等用户空间资源，还包括内核栈和寄存器等内核空间的状态。

　　所以进程上下文切换比系统调用要多出一步：

　　在保存当前进程的内核状态和 CPU 寄存器之前，需要保存进程的虚拟内存、栈等；并加载下一个进程的内核状态。 

1.2 .问题

1.2.1.系统调用的过程有没有发生CPU上下文切换呢？

1. CPU寄存器里原来用户态的指令位置，需要先保存起来。接着，为了执行内核态代码，CPU寄存器需要更新为内核态指令的新位置。最后才是跳转到内核态运行内核任务。而系统调用结束后，CPU寄存器需要恢复原来保存的用户态，然后再切换到用户空间，继续运行进程，所以一次系统调用的过程，其实是发生了两次CPU上下文切换。

注意: 系统调用过程中，并不会涉及到虚拟内存等进程用户态的资源，也不会切换进程。这跟我们通常所说的进程上下文切换是不一样的。进程上下文切换，是指从一个进程切换到另一个进程运行；而系统调用过程中一直是同一个进程在运行。

1.2.3.进程在什么时候才会被调度到CPU上运行呢？

　　容易想到的一个时机，就是进程执行完，终止了，它之前使用的CPU会释放出来，这个时候再从就绪队列里，拿一个新的进程过来运行。其实还有很多其他场景，也会触发进程调度，这里逐个梳理下。

1. 为了保证所有进程可以得到公平调度，CPU时间片被划分为一段段的时间片，这些时间片再被轮流分配给各个进程。这样，当某个进程的时间片耗尽了，就会被系统挂起，切换到其他正在等待CPU的进程运行。

2. 进程在系统资源不足(比如内存不足)时，需要等到资源满足后才可以运行，这个时候进程也会被挂起，并由系统调度其他进程运行。

3. 当进程通过睡眠函数sleep这样的方法将自己主动挂起时，自然也会重新调度。

4. 当有优先级更高的进程运行时，为了保证高优先级进程的运行，当前进程会被挂起，由高优先级的进程来运行。

5. 当发生硬件中断时，CPU上的进程会被中断挂起，转而执行内核中中断服务程序。

2.线程上下文切换

线程与进程最大的区别在与，线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位。所谓内核中的任务调用，实际上的调度对象是线程；而进程只是给线程提供了虚拟内存、全局变量等资源。所以，对于线程和进程，我们可以这么理解：

1. 可以认为进程就等于线程。

2. 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。这些资源在上下文切换时是不需要修改的。
   线程也有自己的私有数据，比如栈和寄存器等，这些在上下文切换时也是需要保存的。

这么一来，线程的上下文切换其实就可以分为两种情况：

1.前后两个线程属于不同进程，此时，由于资源不共享，所以切换过程就跟进程上下文切换是一样的。
2.前后两个线程属于同一个进程，此时，应为虚拟内存是共享的，所以在切换时，虚拟内存这些资源就保持不动，只需要切换线程的私有数据，寄存器等不共享的数据。

所以同为上下文切换，但同进程内的线程切换，要比多进程间切换消耗更少的资源，这也正是多线程代替多进程的一个优势。

3.中断上下切换

1. 中断会打断进程的政策调度和执行，转而调用中断处理程序，响应设备事件，而在打断其他进程时，就需要将进程当前的状态保存下来，这样再中断结束后，进程仍然可以从原来的状态恢复运行

2. 中断上下文切换并不涉及到进程的用户态，即便中断过程打断了一个正在处理用户态的进程，也不需要保存和恢复这个进程的虚拟内存，全局变量等用户态资源。在发生中断时,内核就在被中断进程的上下文中（就相当于在同一个进程执行了cpu上下文切换，从该进程的用户态切换到内核态），在内核态下执行中断服务例程。但同时会保留所有需要用到的资源，以便中继服务结束时能恢复被中断进程 的执行。

3. 对同一个CPU来说，中断处理比进程拥有更高的优先级，所以中断上下文切换并不会与进程上下文切换同时发生，同样由于中断会打断正常进程的调度和执行，所以大部分中断程序都短小精悍，以便快速执行结束

　　硬件通过触发信号，导致内核调用中断处理程序，进入内核空间。这个过程中，硬件的一些变量和参数也要传递给内核，内核通过这些参数进行中断处理，中断上下文就可以理解为硬件传递过来的这些参数和内核需要保存的一些环境，主要是被中断的进程的环境。　

　　运行在进程上下文的内核代码是可以被抢占的（Linux2.6支持抢占）。但是一个中断上下文，通常都会始终占有CPU（当然中断可以嵌套，但我们一般不这样做），不可以被打断。正因为如此，运行在中断上下文的代码就要受一些限制，不能做下面的事情：

　　1、睡眠或者放弃CPU，这样做的后果是灾难性的，因为内核在进入中断之前会关闭进程调度，一旦睡眠或者放弃CPU，这时内核无法调度别的进程来执行，系统就会死掉；

　　2、尝试获得信号量 如果获得不到信号量，代码就会睡眠，会产生和上面相同的情况；

　　3、执行耗时的任务 中断处理应该尽可能快，因为内核要响应大量服务和请求，中断上下文占用CPU时间太长会严重影响系统功能；

　　4、访问用户空间的虚拟地址 因为中断上下文是和特定进程无关的，它是内核代表硬件运行在内核空间，所以在中断上下文无法访问用户空间的虚拟地址。

　　注意:中断上下文切换也会消耗CPU，切换次数过多会耗费大量CPU，降低系统整体性能

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　　关于上下文切换仅参考linux内核的实现从技术角度来解释：
　　在linux中一个叫做task_struct结构体代表一个线程，linux调度器会对一个结构体：sched_entity结构体感兴趣并对其进行调度，而它正好嵌入到task_struct中。因此对可以看出linux调度是线程级的。那具体怎么调度呢？
　　Linux用红黑树存所有可运行的进程（注意是可运行），使用等待队列wait_queue记录休眠（被阻塞）线程。用一个例子来介绍调度和上下文切换的细节，例如网卡产生一个中断通知有网络数据，执行中的线程阻塞（从执行状态剥离并放入等待队列），然后再到红黑树里面选一个来执行。这个过程的详细过程是：虚拟内存映射和处理器状态均要切换到新线程，前一个线程寄存器、栈信息还有其他状态信息被保存。而新线程的栈信息和寄存器信息被恢复，刚好是反操作。我们把上述过程叫做上下文切换。等到网络数据读取就绪，在等待队列中的线程又被唤醒，接着放入红黑树中，成为可执行态，等待被执行。

　　多处理器就是一台机器具有多个处理器。他的主流架构叫做对称多处理器（SMP），这些处理器共享内存，共用一个系统，程序可以并行执行在每一个处理器上。拿多核处理器来说，通过一个核心执行一个线程，操作系统通过指令分派让一个核心负责一个程序执行，达到真正意义上的并行。目前的手机尤其是android手机通过添加核心数来提升运行速度。这确实可以得到提高。但是在软件角度还受到几方面限制：一是调度算法针对核心数优化，以充分利用多核优势；二是程序的并行性，如果程序是单线程再多核同时也只能跑在一个上面，其他的却白白浪费；还有就是，增加核心数和处理能力并非成线性关系。

三.上下文切换实战

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

[root@localhost ~]# vmstat 5

• 1

• cs（context switch）是每秒上下文切换的次数。

• in（interrupt）则是每秒中断的次数。

• r（Running or Runnable）是就绪队列的长度，也就是正在运行和等待 CPU 的进程数。

• b（Blocked）则是处于不可中断睡眠状态的进程数。

查看每个进程的详细情况

[root@localhost ~]# pidstat -w 5

• 1

• cswch，表示每秒自愿上下文切换（voluntary content switches）的次数

• nvcswch，表示每秒非自愿上下文切换（no voluntary content switches）的次数

-wt 参数表示输出线程的上下文切换指标

[root@localhost ~]# pidstat -wt 1

• 1

通过 /proc/interrupts 这个只读文件分析

/proc是 linux的一个虚拟文件系统，用于内核空间与用户空间之间的通讯，/proc/interrupts 就是这种通讯机制的一部分，提供了一个只读的中断使用情况
通过 watch -d cat /proc/interrupts 查看

在/proc目录下面，有两个与中断子系统相关的文件和子目录，它们是：

• /proc/interrupts：文件
• /proc/irq：子目录

读取interrupts会依次显示irq编号，每个cpu对该irq的处理次数，中断控制器的名字，irq的名字，以及驱动程序注册该irq时使用的名字