CPU寄存器，與程序計(jì)數(shù)器（存儲(chǔ)CPU正在執(zhí)行的指令位置，或者即將執(zhí)行的下一條指令的位置）共同組成CPU上下文。

CPU上下文切換指的是：把前一個(gè)任務(wù)的CPU上下文保存起來，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)器上，最后再跳轉(zhuǎn)到程序計(jì)數(shù)器所指的新位置，運(yùn)行新的任務(wù)。被保存下來的上下文會(huì)存儲(chǔ)在系統(tǒng)內(nèi)核中，等任務(wù)重新調(diào)度執(zhí)行時(shí)再次加載進(jìn)來。

根據(jù)任務(wù)的不同，CPU的上下文切換可以分為幾個(gè)不同場景（進(jìn)程上下文切換、線程上下文切換、中斷上下文切換）

進(jìn)程上下文切換

系統(tǒng)調(diào)用：

已知進(jìn)程運(yùn)行空間分為內(nèi)核空間和用戶空間。內(nèi)核空間可以訪問所有資源，用戶空間只能訪問受限資源，不能訪問內(nèi)存等硬件設(shè)備。

從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的轉(zhuǎn)變需要通過系統(tǒng)調(diào)用來完成。如open、read、write、close等對于文件的操作都屬于系統(tǒng)調(diào)用。

系統(tǒng)調(diào)用的過程中會(huì)發(fā)生CPU上下文切換，先切換到內(nèi)核態(tài)，執(zhí)行內(nèi)核態(tài)代碼，再跳轉(zhuǎn)回用戶態(tài)代碼。所以一次系統(tǒng)調(diào)用會(huì)發(fā)生兩次CPU上下文切換，又稱特權(quán)模式切換，不過仍然是同一個(gè)進(jìn)程在運(yùn)行。

進(jìn)程上下文切換性能問題：

進(jìn)程由內(nèi)核管理和調(diào)度，進(jìn)程的切換只能發(fā)生在內(nèi)核態(tài)，進(jìn)程上下文不僅包括虛擬內(nèi)存、棧、全局變量等用戶空間資源，還包括內(nèi)核堆棧、寄存器等內(nèi)核空間狀態(tài)。每次進(jìn)程上下文切換需要幾十納秒到數(shù)微秒的CPU時(shí)間。

并且Linux通過TLB來管理虛擬內(nèi)存到物理內(nèi)存之間的映射，當(dāng)虛擬內(nèi)存更新后，TLB也需要刷新，內(nèi)存的訪問也會(huì)隨之變慢。特別在多處理器系統(tǒng)上，緩存被多個(gè)處理器共享，刷新緩存不僅會(huì)影響當(dāng)前處理器的進(jìn)程，還會(huì)影響共享緩存的其他處理器的進(jìn)程。

進(jìn)程上下文切換發(fā)生的時(shí)機(jī)：

在進(jìn)程調(diào)度的時(shí)候，需要進(jìn)行切換上下文。Linux為每個(gè)CPU維護(hù)一個(gè)就緒隊(duì)列，將活躍進(jìn)程（正在運(yùn)行和正在等待CPU的進(jìn)程）

按照優(yōu)先級和等待CPU的時(shí)間來排序，然后選擇最需要CPU的進(jìn)程運(yùn)行。（優(yōu)先級高和等待時(shí)間長的進(jìn)程）

1、CPU時(shí)間被劃分為一段段時(shí)間片，當(dāng)某個(gè)進(jìn)程的時(shí)間片耗盡，就會(huì)被系統(tǒng)掛起，切換到其他正在等待的進(jìn)程

2、進(jìn)程在系統(tǒng)資源不足時(shí)，要等到資源滿足后才可以運(yùn)行，此時(shí)這個(gè)進(jìn)程也會(huì)被掛起，CPU讓給其他進(jìn)程

3、進(jìn)程通過sleep睡眠函數(shù)主動(dòng)掛起，CPU讓給其他進(jìn)程

4、當(dāng)有優(yōu)先級更高的進(jìn)程運(yùn)行，當(dāng)前進(jìn)程會(huì)被掛起

5、發(fā)生硬件中斷，CPU進(jìn)程會(huì)被中斷掛起，執(zhí)行內(nèi)核中的中斷服務(wù)程序

進(jìn)程上下文切換

線程是調(diào)度的基本單位，而進(jìn)程是資源擁有的基本單位。當(dāng)進(jìn)程中只有一個(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)共享相同的虛擬內(nèi)存和全局變量等資源。

線程主要就是私有數(shù)據(jù)、棧和寄存器等資源。

線程上下文切換分為兩種情況：

1、兩個(gè)線程屬于不同線程，資源不共享，所以等同于進(jìn)程上下文切換

2、兩個(gè)線程屬于同一個(gè)進(jìn)程，只需要切換私有數(shù)據(jù)、寄存器等不共享的數(shù)據(jù)

中斷上下文切換

與系統(tǒng)調(diào)用不同，中斷上下文切換不涉及進(jìn)程的用戶態(tài)。所以中斷過程打斷了一個(gè)正處于用戶態(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、全局變量等用戶資源。它只包括內(nèi)核態(tài)中斷服務(wù)程序執(zhí)行所必須的狀態(tài)：CPU寄存器、內(nèi)核堆棧、硬件中斷參數(shù)

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的CPU上下文切换（系统调用、进程上下文、线程上下文、中断上下文）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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