3.什麼是CPU上下文切換01？
1.前言：
cpu的上下文切換一般多出現在多個程序競爭cpu的情景
2.CPU的上下文切換：
2.1介紹：
程序在競爭 CPU 的時候並沒有真正執行，為什麼還會導致系統的負載升高呢？ 答案在於：CPU 上下文切換就是罪魁禍首。
Linux 是一個多工作業系統，它支援遠大於 CPU 數量的任務(通常所說的後臺程序)同時執行，但是，這並不意味這這些任務會在同一時刻就一起執行，而是系統會在很短的時間內將cpu輪流地分配給它們就行使用。造成多工同時執行的錯覺。
這裡在執行每個執行任務前，cpu需要知道任務需要從哪裡載入，又從哪裡開始執行，也就是說需要系統事先先幫他設定好cpu的暫存器和程式計數器(Program Counter)
cpu暫存器，是cpu內建的容量小、但是速度極快的記憶體。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的位置，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。
因此，我們可以這樣理解CPU上文切換，cpu上下文切換，就是先把一個任務的CPU上下文(也就是cpu的暫存器和程式計數器)儲存起來，然後載入新任務的上下文到這個暫存器和程式計數器
，最後再跳轉到程式計數器所指的新位置，執行新任務。
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起來。這樣就能保證任務原來的狀態不受影響，讓任務看起來哈市連續執行。
這樣看起來cpu上下文切換就是更新cpu暫存器的值，本身是為了快速執行任務而設計的，但是為什麼會影響cpu的效能呢？
這是因為任務除了有程序和執行緒外，還有一種硬體通過觸發訊號，導致中斷處理程式的呼叫，這也是一種常見的任務。
所以，根據任務的不同，CPU的上下文切換就可以分為幾種不同的場景，也就是程序上下文切換、執行緒上下文切換、以及中斷上下文切換。
2.2程序上下文切換
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.
- 核心空間(Ring 0)具有最高許可權，可以直接訪問所有資源
- 使用者空間(Ring 3)只能訪問受限資源，不能直接訪問記憶體等硬體裝置，必須通過系統條用陷入到核心中，才能訪問這些特權資源。
也就說程序既可以在使用者空間執行，也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？--->答案自然是有的
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，為了執行核心態程式碼，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儲存的使用者態，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:
- 程序上下文切換，是指從一個程序切換到另外一個程序執行。
- 而系統呼叫的過程中一直是同一個程序在執行。
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，程序上下文切換系統呼叫有什麼區別呢？
首先，你需要知道，程序是由核心來管理和排程的，程序的切換隻能發生在核心態。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，還包括核心棧、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TSuna的測試報告，每次上下文切換都需要幾十納秒到數微妙的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，導致平均負載升高的一個重要因素。
這裡我們知道了程序上下文切換潛在的效能問題後，我們再來看看，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都維護了一個就緒佇列，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？
最容易想到的一個時機，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中，拿一個新的程序過來執行
上下文切換情景：
- 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，這些時間片再被輪流分配給各個程序。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，並由系統排程其它程序執行。
- 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。
- 其五。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。
因此，瞭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，它們就是幕後凶手。
2.3 執行緒上下文切換
執行緒和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：
- 當程序只有一個執行緒時，可以程序就等於執行緒
- 當程序擁有多個執行緒時，這些執行緒會共享相同的虛擬記憶體和全域性變數等資源。這些資源在上下文切換時是不需要修改的。
- 另外，執行緒也有自己的私有資料，比如棧和暫存器等，這些在上下文切換時也是需要儲存的。
這樣一來，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時一樣
第二種，前後兩個執行緒屬於同一個程序，此時，因為虛擬記憶體是共享的，所以在切換時，虛擬記憶體這個資源就保持不動，只需要切換執行緒的私有資料、暫存器等不共享資料。
因此，同為上下文切換，但是同進程內的執行緒切換，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一個優勢。
2.4 中斷上下文切換
除了前面兩種上下文切換，還有一個場景也會切換cpu上下文，那就是中斷。
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。
跟程序上下文不同，中斷上下文切換並不涉及到程序的使用者態。所以，即便中斷過程打斷了一個正處在使用者態的程序，也不需要儲存和恢復這個程序的虛擬記憶體、全域性變數等使用者態資源。中斷上下文，其實只包括核心態中斷服務程式執行所必需的狀態，包括 CPU 暫存器、核心堆疊、硬體中斷引數等。
對同一個 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，以便儘可能快的執行結束。
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。
3.小結：
總結一下，不管是哪種場景導致的上下文切換，你都應該知道：
- 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
- 但過多的上下文切換，會把 CPU 時間消耗在暫存器、核心棧以及虛擬記憶體等資料的儲存和恢復上，從而縮短程序真正執行的時間，導致系統的整體效能大幅下降。