【操作系统】聊聊什么是CPU上下文切换

对于linux来说，本身就是一个多任务运行的操作系统，运行远大于CPU核心数的程序，从用户视角来看是并发执行，而在CPU视角看其实是将不同的CPU时间片进行分割，每个程序执行一下，就切换到别的程序执行。那么这个CPU上下文是什么。

我们知道对于CPU来说有寄存器和程序计数器，前者是CPU内置的高速缓存，存储数据的，后者是标识当前程序执行到哪里。
比如我们执行某个程序，那么寄存器此时就保存着当前程序执行的数据，以及当前程序将要执行的下一条指令，这个就是CPU执行所依赖的环境，也被称为上下文。

而上下文切换，其实就是将当前程序执行的数据进行保存，加载新的执行的程序的数据和指令。

那么切换上下文，除了进程和线程两种方式，还有别的方式嘛？中断调用其实也会触发切换。

进程上下文切换

linux按照特权等级，进程运行的空间分为内核空间和用户空间，ring0和ring3 内核空间说白了就是可以执行所有操作和访问所有资源，而应用空间只能访问受限资源和执行指令。

进程在用户空间运行时被称为用户态，在内核空间运行时被称为内核态。
比如读取一个文件，需要先从用户态切换到内核态，内核态调用read、write、close函数，最后在切换回用户态。
而这里就需要在系统调用前保存用户态的栈、空间数据等，然后切换到内核态中，执行内核态，最后将现场还原。1次系统调用发生了两次上下文切换。

• 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。

系统调用过程通常称为特权模式切换，而不是上下文切换

所以进程上下文切换，其实需要先保存进程1的上下文，然后在加载进程2的上下文，而系统调用是比进程上下文切换少一步。
进程在什么时候回发生切换，其实主要依赖于进程的调度算法，一般是按照优先级和最长时间等待。频繁的上下文切换，其实就会消耗CPU的执行时间。

线程上下文切换

线程与进程最大的区别在于，线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位
所以进程内的虚拟内存、全局变量对于同一个进程内的线程来说是共享的，但是线程也有自己的私有数据，栈和寄存器等。

• 前后两个线程属于不同的进程，那么等价于进程上下文切换。
• 前后两个线程同属于一个进程，虚拟内存是共享的，所以不动，但是需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享数据。

所以进程内的线程切换要比进程间切换的消耗更少的资源，也是多线程替代进程的优势。

中断上下文切换

为了快速响应硬件的事件，中断处理会打算进程的正常执行和调度。需要保存之前的状态和恢复现场。
中断上下文切换不会打算用户态进程，只需要包含内核态中断服务程序执行所必须的状态，CPU寄存器、内核堆栈、硬件中断参数等。
对于同一个CPU来说，中断处理比进程有更好的优先级。

小结

本篇我们讲述的了CPU上下文切换的理论，主要是进程、线程、中断上下文切换。如果上下文切换过多会导致整体系统性能下降。

cpu上下文切换就好比一个人有好多朋友要拜访，有的朋友房子大（进程），进进出出里三层外三层，有的朋友住帐篷（线程），就拉开帐篷聊聊天，有的朋友就隔着窗户说两句话打个照面路过（中断）