Linux 是一个多任务操作系统,它支持远大于CPU数量的任务同时运行.当然,这些任务实际上并不是真的在同时运行,而是因为系统在很短的时间内,将CPU轮流分配给它们,造成多任务同时运行的错觉。而在每个任务运行前,CPU都需要知道任务从哪里加载、又从哪里开始运行,也就是说, 需要系统事先帮它设置好CPU寄存器和程序计数器（Program Counter，PC）。
CPU寄存器，是CPU内置的容量小、但速度极快的内存。而程序计数器，则是用来存储CPU 正在执行的指令位置、或者即将执行的下一条指令位置。它们都是CPU在运行任何任务前，必须的依赖环境，因此也被叫做CPU上下文。
+------------------------------------------------------------+
| |
| General Registers |
| CPU |
| +-------------+ +------------------+ |
| | R0 | | | +------------+ |
| +-------------+ | | | PC +----+
| | | +------------+ | |
| +-------------+ | | | |
| | R1 | | ALU | +------------+ | |
| +-------------+ | | | IR | | |
| . | | +------------+ | |
| . | | | |
| +-------------+ | | +------------+ | |
| | RN | | | | PSR | | |
| +-------------+ +------------------+ +------------+ | |
| | |
+---------------+------------------------+-------------------+ |
| ^ |
v | |
+---------------+------------------------+-------------------+ |
| +-------+ | |
| | 0 | | |
| +-------+ | |
| MEMORY | 1 + <---+
| +-------+ |
| | 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。
而这些保存下来的上下文，会存储在系统内核中，并在任务重新调度执行时再次加载进来。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。
根据任务的不同，CPU的上下文切换就可以分为几个不同的场景，也就是进程上下文切换、线程上下文切换以及中断上下文切换。
进程上下文切换
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Ring 0和Ring 3。
内核空间（Ring 0）具有最高权限，可以直接访问所有资源；
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。
+------------------------------+
| Ring 3 |
| +------------------------+ |
| | Ring 2 | |
| | +------------------+ | |
| | | Ring 1 | | |
| | | +----------+ | | |
| | | | | | | |
| | | | Ring 0 | | | |
| | | | Kernel | | | |
| | | | | | | |
| | | +----------+ | | |
| | | | | |
| | +------------------+ | |
| | | |
| +------------------------+ |
| application |
+------------------------------+
换个角度看，也就是说，进程既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时，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。
一次系统调用的过程，其实是发生了两次CPU上下文切换。
- 首先, CPU寄存器里原来用户态的指令位置，需要先保存起来。
- 其次，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。
不过，需要注意的是，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。
所以，系统调用过程通常称为特权模式切换，而不是上下文切换。但实际上，系统调用过程中，CPU的上下文切换还是无法避免的。
进程上下文切换与系统调用的区别
进程是由内核来管理和调度的，进程的切换只能发生在内核态。所以，进程的上下文不仅包括了虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源，还包括了内核堆栈、寄存器等内核空间的状态。
因此，进程的上下文切换就比系统调用时多了一步：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；而加载了下一进程的内核态后，还需要刷新进程的虚拟内存和用户栈。
如下图所示，保存上下文和恢复上下文的过程并不是“免费”的，需要内核在CPU上运行 才能完成。
+-----------+-----------------+---------------------+----------+
| 进程1 | 进程1上下文保存 | 进程2上下文加载 | 进程2 |
+---+-----------+-------+---------+---------------+-----+----------+------->
| | 时钟
+-----> CPU上下文切换 <----+
进程上线文切换潜在的性能问题
- CPU在寄存器、内核栈以及虚拟内存等资源的保存和恢复上
- Linux 通过TLB（Translation Lookaside Buffer）来管理虚拟内存到物理内存的映射关系。当虚拟内存更新后，TLB也需要刷新，内存的访问也会随之变慢。
什么时候会切换进程上下文?
进程切换时才需要切换上下文，换句话说，只有在进程调度的时候，才需要切换上下文。Linux 为每个CPU都维护了一个就绪队列，将活跃进程（即正在运行和正在等待CPU的进程）按照优先级和等待CPU的时间排序，然后选择最需要CPU的进程，也就是优先级最高和等待CPU时间最长的进程来运行。
进程在什么时候才会被调度到CPU上运行呢？
最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 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，在这里我给你逐个梳理下。
- 其一，为了保证所有进程可以得到公平调度，CPU时间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，切换到其它正在等待CPU的进程运行。
- 其二，进程在系统资源不足（比如内存不足）时，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。
- 其三，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。
- 其四，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，由高优先级进程来运行。
- 最后一个，发生硬件中断时，CPU上的进程会被中断挂起，转而执行内核中的中断服务程序。
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。
说白了，所谓内核中的任务调度，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：
- 当进程只有一个线程时，可以认为进程就等于线程。
- 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等资源。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：
- 第一种，前后两个线程属于不同进程。此时，因为资源不共享，所以切换过程就跟进程上下文切换是一样。
- 第二种，前后两个线程属于同一个进程。此时，因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。到这里你应该也发现了，虽然同为上下文切换，但同进程内的线程切换，要比多进程间的 切换消耗更少的资源，而这，也正是多线程代替多进程的一个优势。
中断上下文切换
为了快速响应硬件的事件，中断处理会打断进程的正常调度和执行，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，这样在中断结束后，进程仍然可以从原来的状态恢复运行。
跟进程上下文不同，中断上下文切换并不涉及到进程的用户态。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。
中断上下文，其实只包括内核态中断服务程序执行所必需的状态，包括CPU寄存器、内核堆栈、硬件中断参数等。
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。同样道理，由于中断会打断正常进程的调度和执行，所以大部分中断处理程序都短小精悍，以便尽可能快的执行结束。
另外，跟进程上下文切换一样，中断上下文切换也需要消耗CPU，切换次数过多也会耗费大量的CPU，甚至严重降低系统的整体性能。所以，当你发现中断次数过多时，就需要注意去排查它是否会给你的系统带来严重的性能问题。
分析CPU上下文切换
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
# 每隔5秒输出1组数据,输出2次
vmstat 5 2
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st
1 0 0 714176 116 189400 0 0 12 2748 746 1305 11 5 77 6 0
0 0 0 714176 116 189400 0 0 0 0 45 38 0 0 100 0 0
需要特别关注的
- 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。
- in（interrupt）则是每秒中断的次数。
- cs（context switch）是每秒上下文切换的次数。
可以看到，这个例子中的上下文切换次数cs是38次，而系统中断次数in则是45次，而就绪队列长度r和不可中断状态进程数b都是0。
vmstat 只给出了系统总体的上下文切换情况，要想查看每个进程的详细情况，就需要使用我们前面提到过的pidstat了。给它加上 -w 选项，你就可以查看每个进程上下文切换的情况了。
# 每隔5秒输出1组数据
pidstat -w 5
Linux 3.10.0-693.el7.x86_64 (node74-1) 2019年06月15日 _x86_64_ (2 CPU)
23时37分15秒 UID PID cswch/s nvcswch/s Command
23时37分20秒 0 7 0.20 0.00 migration/0
23时37分20秒 0 9 2.20 0.00 rcu_sched
需要特别关注的
- cswch ，表示每秒自愿上下文切换（voluntary context switches）的次数，是指进程无法获取所需资源，导致的上下文切换。比如说， I/O、内存等系统资源不足时，就会发生自愿上下文切换。
- nvcswch ，表示每秒非自愿上下文切换（non voluntary context switches）的次数。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。比如说，大量进程都在争抢CPU时，就容易发生非自愿上下文切换。
案列分析
测试环境:
- OS: centos 7.4
- 机器配置： 2C1G
测试软件安装：
wget http://pagesperso-orange.fr/sebastien.godard/sysstat-12.1.5-1.x86_64.rpm
yum remove sysstat
yum -y install pcp-libs sysbench
rpm -ivh sysstat-12.1.5-1.x86_64.rpm
模拟系统多线程调度的瓶颈
# 以10个线程运行5分钟的基准测试，模拟多线程切换的问题
sysbench --threads=10 --time=300 threads run
sysbench 1.0.17 (using system LuaJIT 2.0.4)
Running the test with following options:
Number of threads: 10
Initializing random number generator from current time
Initializing worker threads...
Threads started!
观察上下文切换情况
# 每隔1秒输出1组数据（需要Ctrl+C才结束）
# vmstat 1
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st
10 0 0 684692 116 212940 0 0 12 2614 715 748 11 5 78 6 0
8 0 0 684676 116 212940 0 0 0 0 2202 2673573 11 89 1 0 0
5 0 0 684676 116 212940 0 0 0 0 2325 2507807 12 88 1 0 0
可以发现，cs列的上下文切换次数从之前的748骤然上升到了267万。
需要注意的指标:
- r 列：就绪队列的长度已经到了 8，远远超过了系统 CPU 的个数2，所以肯定会有大量的CPU竞争。
- us（user）和sy（system）列：这两列的CPU使用率加起来上升到了100%，其中系统 CPU 使用率，也就是sy列高达 84%，说明CPU主要是被内核占用了。
- in 列：中断次数也上升到了2千左右，说明中断处理也是个潜在的问题。
观察CPU和进程上下文切换
# 每隔1秒输出1组数据（需要Ctrl+C才结束）
# -w 参数表示输出进程切换指标，而-u参数则表示输出CPU使用指标
# pidstat -w -u 1
Linux 3.10.0-693.el7.x86_64 (node74-1) 2019年06月15日 _x86_64_ (2 CPU)
23时48分15秒 UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command
23时48分16秒 0 12888 20.79 175.25 0.00 0.00 196.04 0 sysbench
23时48分16秒 0 12901 0.00 0.99 0.00 0.00 0.99 0 pidstat
23时48分15秒 UID PID cswch/s nvcswch/s Command
23时48分16秒 0 3 0.99 0.00 ksoftirqd/0
23时48分16秒 0 9 5.94 0.00 rcu_sched
23时48分16秒 0 99 0.99 0.00 kworker/1:2
23时48分16秒 0 698 9.90 0.00 vmtoolsd
23时48分16秒 0 3068 0.99 0.00 kworker/u256:0
23时48分16秒 0 12858 3.96 0.00 kworker/0:1
23时48分16秒 0 12900 0.99 0.00 kworker/0:0
23时48分16秒 0 12901 0.99 0.00 pidstat
从输出可以发现，CPU使用率的升高果然是sysbench导致的，它的CPU使用率已经达到了196%。但是上下文切换没有体现出来，这是因为sysbench模拟的是线程调度压力，而pidstat默认显示的是进程的上下文，加上-t选项就能看出线程的上下文数据了。
# pidstat -w -u -t 1
Linux 3.10.0-693.el7.x86_64 (node74-1) 2019年06月15日 _x86_64_ (2 CPU)
23时53分00秒 UID TGID TID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command
23时53分01秒 0 12904 - 20.59 175.49 0.00 0.00 196.08 0 sysbench
23时53分01秒 0 - 12905 2.94 16.67 0.00 50.00 19.61 0 |__sysbench
23时53分01秒 0 - 12906 1.96 17.65 0.00 41.18 19.61 1 |__sysbench
23时53分01秒 0 - 12907 1.96 17.65 0.00 49.02 19.61 0 |__sysbench
23时53分01秒 0 - 12908 1.96 18.63 0.00 50.00 20.59 0 |__sysbench
23时53分01秒 0 - 12909 1.96 16.67 0.00 33.33 18.63 0 |__sysbench
23时53分01秒 0 - 12910 1.96 17.65 0.00 49.02 19.61 1 |__sysbench
23时53分01秒 0 - 12911 1.96 16.67 0.00 40.20 18.63 0 |__sysbench
23时53分01秒 0 - 12912 2.94 16.67 0.00 43.14 19.61 1 |__sysbench
23时53分01秒 0 - 12913 2.94 17.65 0.00 49.02 20.59 0 |__sysbench
23时53分01秒 0 - 12914 1.96 18.63 0.00 53.92 20.59 1 |__sysbench
23时53分01秒 0 12915 - 0.00 0.98 0.00 0.00 0.98 1 pidstat
23时53分01秒 0 - 12915 0.00 1.96 0.00 0.00 1.96 1 |__pidstat
23时53分00秒 UID TGID TID cswch/s nvcswch/s Command
23时53分01秒 0 9 - 11.76 0.00 rcu_sched
23时53分01秒 0 - 9 11.76 0.00 |__rcu_sched
23时53分01秒 0 10 - 0.98 0.00 watchdog/0
23时53分01秒 0 - 10 0.98 0.00 |__watchdog/0
23时53分01秒 0 11 - 0.98 0.00 watchdog/1
23时53分01秒 0 - 11 0.98 0.00 |__watchdog/1
23时53分01秒 0 13 - 1.96 0.00 ksoftirqd/1
23时53分01秒 0 - 13 1.96 0.00 |__ksoftirqd/1
23时53分01秒 0 99 - 2.94 0.00 kworker/1:2
23时53分01秒 0 - 99 2.94 0.00 |__kworker/1:2
23时53分01秒 0 - 695 0.98 0.00 |__in:imjournal
23时53分01秒 0 698 - 11.76 0.00 vmtoolsd
23时53分01秒 0 - 698 11.76 0.00 |__vmtoolsd
23时53分01秒 0 - 999 0.98 0.00 |__tuned
23时53分01秒 0 1080 - 0.98 0.00 sshd
23时53分01秒 0 - 1080 0.98 0.00 |__sshd
23时53分01秒 0 3068 - 0.98 0.00 kworker/u256:0
23时53分01秒 0 - 3068 0.98 0.00 |__kworker/u256:0
23时53分01秒 0 12858 - 2.94 0.00 kworker/0:1
23时53分01秒 0 - 12858 2.94 0.00 |__kworker/0:1
23时53分01秒 0 12900 - 0.98 0.00 kworker/0:0
23时53分01秒 0 - 12900 0.98 0.00 |__kworker/0:0
23时53分01秒 0 - 12905 47103.92 205392.16 |__sysbench
23时53分01秒 0 - 12906 53152.94 219105.88 |__sysbench
23时53分01秒 0 - 12907 47341.18 221238.24 |__sysbench
23时53分01秒 0 - 12908 45266.67 221124.51 |__sysbench
23时53分01秒 0 - 12909 68357.84 193363.73 |__sysbench
23时53分01秒 0 - 12910 43547.06 242544.12 |__sysbench
23时53分01秒 0 - 12911 55637.25 200499.02 |__sysbench
23时53分01秒 0 - 12912 50623.53 218949.02 |__sysbench
23时53分01秒 0 - 12913 45478.43 227288.24 |__sysbench
23时53分01秒 0 - 12914 47864.71 214200.00 |__sysbench
23时53分01秒 0 12915 - 0.98 1.96 pidstat
23时53分01秒 0 - 12915 0.98 1.96 |__pidstat
这样就能看出线程的上下文切换了。
中断次数过多的原因
中断处理发生在内核态，/proc/interrupts文件提供了一个只读的中断使用情况
# -d 参数表示高亮显示变化的区域
# watch -d "cat /proc/interrupts | sort -r -k 2"
...
CPU0 CPU1
RES: 7067736 7111506 Rescheduling interrupts
...
观察一段时间，你可以发现，变化速度最快的是重调度中断（RES），这个中断类型表示，唤醒空闲状态的 CPU 来调度新的任务运行。这是多处理器系统（SMP）中，调度器用来分散任务到不同 CPU 的机制，通常也被称为处理器间中断（Inter-Processor Interrupts，IPI）。
每秒上下文切换多少次才算正常呢？
这个数值其实取决于系统本身的CPU性能。在我看来，如果系统的上下文切换次数比较稳定，那么从数百到一万以内，都应该算是正常的。但当上下文切换次数超过一万次，或者切换次数出现数量级的增长时，就很可能已经出现了性能问题。
这时，你还需要根据上下文切换的类型，再做具体分析。比方说：
- 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。