计算机基础知识 | cpu 上下文切换（Linux系统）

cpu上下文是指cpu在运行任何任务之前都要依赖的环境。cpu上下文包括两个部分，cpu寄存器和程序计数器。cpu上下文切换，指的就是把上一个任务寄存器和程序计数器的值保存起来（保存在内存特定的数据结构中）然后设置新任务cpu寄存器和程序计数器值的过程。

每次上下文切换需要几十纳秒到数微妙的cpu时间。

根据任务类型的不同，cpu上下文切换可以分为进程上下文切换，线程上下文切换，中断上下文切换。

还有一种情况比较特殊，系统调用的过程中也发生了上下文切换，这种切换被称为特权模式切换。

一个进程从用户态到内核态的转变，需要通过系统调用来完成。

从用户态切换到内核态，cpu寄存器原来的用户态的指令位置需要保存起来，然后加载内核态的指令位置到cpu寄存器中。

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。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。

进程的上下文切换比系统调用多了一步，在保存当前进程的内核状态和cpu寄存器之前，需要先把该进程的虚拟内存，栈等保存下来。而加载了下一个进程的内核态之后，还需要刷新进程的虚拟内存和用户栈。

线程与进程的最大区别在于，线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位。内核中的任务调度，实际上调度的对象是线程。

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

线程的上下文切换分为两种情况：

1 ) 前后两个线程属于不同的进程。这时，切换线程就和切换进程一样。

2 ) 前后两个线程属于同一个进程。因为虚拟内存是共享的，所以在切换时，虚拟内存这些共享资源保存不动，只要切换线程的私有数据，寄存器等不共享的数据。

为了快速响应硬件的事件，中断处理会打断进程的正常调度和执行，转而执行中断处理程序。对于同一个cpu来说，中断处理比进程拥有更高的优先级。

跟进程上下文切换不同，内核的中断上下文切换并不涉及到进程的用户态。进程的用户态切换由cpu硬件来处理。所以即便中断过程打断了一个正处在用户态的进程，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。这些由cpu硬件来保存和恢复。

参考资料：

当一个进程在执行时,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。当内核需要切换到另一个进程时，它需要保存当前进程的所有状态，即保存当前进程的上下文，以便在再次执行该进程时，能够必得到切换时的状态执行下去。在LINUX中，当前进程上下文均保存在进程的任务数据结构中。在发生中断时,内核就在被中断进程的上下文中，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。

在 Linux性能分析-平均负载 中，提到过一种导致平均负载升高的情况，就是有大量进程或线程等待cpu调度。

为什么大量进程或者线程等待CPU调度会导致负载升高呢？

当大量进程或者线程等待调度时，cpu需要更加频繁的切换任务，在切换任务的过程中，需要保存上一个任务的context到内核中，并且恢复当前任务的context，这种保存和恢复的 *** 作也是需要cpu来执行的，导致cpu都消耗在了 保存上文和恢复下文 这个过程中。

除了进程和线程导致的上下文切换以外，硬件产生的中断事件也会导致上下文切换。并且中断事件的优先级是高于线程和进程任务的。

这篇文章会模拟测试这种情况。

vmstat是一个观测总体上下文切换状况的命令。

下面指令可以每隔5秒输出一组数据。

重点关注列含义：

使用vmstat关注到了整体的情况，接下来可以使用pidstat关注具体线程的情况

注：pidstat -wt 可以输出线程的情况

重点关注列含义：

系统环境：

首先安装sysbench，使用sysbench，我们可以模拟一个进程内多线程调度引起的上下文切换问题。

安装好后，执行下面命令

查看下vmstat和pidstat

观察vmstat结果，可以看到

观察pidstat两类结果，可以发现

整体结果符合我们的预期。

针对in列显著提高，可以查看 /proc/interrupts 文件，里面记录了中断相关的数据，这些数据记录的是从上次启动到现在的累加值。

我们把系统重新启动下，看下空闲状态下的文件

当执行sysbench命令后，并运行一段时间后，该文件如下

其中，LOC和RES显著升高

RES表示，唤醒空闲状态的CPU来调度新的任务运行，和我们模拟的过多任务调度有关。

LOC不太理解，暂时先放在这里。

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