作者：小牛呼噜噜 | https://xiaoniuhululu.com
计算机内功、JAVA底层、面试相关资料等更多精彩文章在公众号「小牛呼噜噜 」
什么是CPU上下文
Linux是一个多任务的操作系统，多任务操作系统是指多个进程运行在一个 CPU 中互不打扰，看起来像同时运行一样。多任务的操作系统这样就可以支持远大于CPU数量的任务"同时运行"。但是我们都知道这其实是一个错觉，真正是系统在很短的时间内将CPU轮流执行各个任务，给用户造成多任务"同时运行"的感觉。
其中有一个问题，在每次执行任务之前，CPU必须要知道从哪里加载任务，以及加载后从哪里开始运行，操作系统通过CPU中寄存器和程序计数器配合，来保存和恢复相应进度的信息
CPU 寄存器：CPU 寄存器是 CPU 内置的速度极快的内存；
程序计数器：程序计数器会存储 CPU 正在执行的指令位置，或者即将执行的指令位置。
在任务调度的过程中， 而这些信息都保存在CPU的寄存器中，其中即将执行的下一条指令的地址被保存在程序计数器上。我们将这些信息称为CPU的上下文，也叫硬件上下文。
当某一进程自愿放弃它的 CPU 时间或者系统分配的时间片用完时，就会发生CPU上下文切换。
CPU上下文切换
操作系统OS在切换运行任务时，将上一任务的上下文保存起来，然后加载新任务的上下文到CPU寄存器，最后再跳转到程序计数器所指的新位置上执行新任务的这一动作，被称为CPU上下文切换。
CPU上下文切换的步骤:
- 将前一个 CPU 的上下文（也就是 CPU 寄存器和程序计数器里边的内容）保存起来；
- 然后加载新任务的上下文到寄存器和程序计数器；
- 最后跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务。
- 被保存起来的上下文会存储到系统内核中，等待任务重新调度执行时再次加载进来。
CPU 的上下文切换分三种：进程上下文切换、线程上下文切换、中断上下文切换。
上一任务的CPU上下文保存在哪？
我们知道因为CPU过于昂贵，其性能与其他储存设备有数量级的差距，为了充分压榨其性能，计算机将CPU的时间进行分片，让各个程序在CPU上轮转执行，被剥夺执行权的程序，等后面CPU继续执行它的时候，这时需要一个数据结构来保存相关信息，以便之后恢复继续执行，这个其实就是进程。
CPU上下文会被保存在进程的内核空间（kernel space）上。OS在给每个进程分配虚拟内存空间时，会分配一个内核空间，这部分内存只能由内核代码访问。OS在切换CPU上下文前，会先将当前CPU的通用寄存器、PC等进程现场信息保存在进程的内核空间上，待下次切换时，再取出重新装载到CPU上，以恢复任务的运行。
进程上下文切换
内核空间和用户空间
我们知道为了限制不同的指令的访问能力，提升安全，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 。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。
- 内核空间(Ring 0)：具有最高权限，可以直接访问所有资源（读取文件）
常见的内核操作：分配内存、IO操作、创建子进程……
- 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，必须通过系统调用进入到内核中，才能访问这些特权资源
常见的用户态空间程序：数据库、web服务器、shell脚本、Java程序或者其他常见语言的程序……
我们一起看下Linux整体架构图：
top命令查看CPU资源
在linux系统使用top命令查看cpu时，能看到用户态和内核态占用的cpu资源
其中各项数据表示内容：
| us | 用户空间占用CPU百分比 |
|---|---|
| sy | 内核空间占用CPU百分比 |
| ni | 用户进程空间内改变过优先级的进程占用CPU百分比 |
| id | 空闲CPU百分比 |
| wa | 等待输入输出的CPU时间百分比 |
| hi | 硬件中断 |
| si | 软件中断 |
| st | 实时 |
系统调用
对于一个进程来说，比如web服务的进程，一般是运行在用户态的，但是当需要访问内存、磁盘等硬件设备的时候需要先进入到内核态中，也就是从用户态到内核态的转变，而这种转变需要借助系统调用来实现。系统调用是内核向用户进程提供服务的唯一方法。
比如查看文件时，需要执行多次系统调用：open()打开文件，read()读取文件内容，write()将文件内容输出到控制台，最后close()关闭文件等。
系统调用的过程如下：
- 把 CPU 寄存器里原来用户态的指令位置保存起来；
- 为了执行内核代码，CPU 寄存器需要更新为内核态指令的新位置，最后跳转到内核态运行内核任务；
- 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，继续运行进程；
我们可以发现一次系统调用的过程，其实是发生了两次 CPU 上下文切换（用户态-内核态-用户态）。
需要注意的是:系统调用过程中，不涉及虚拟内存等进程用户态的资源，也不会切换进程，也就是系统调用过程中一直是同一个进程在运行。系统调用过程也通常称为特权模式切换。
进程上下文切换 和 系统调用的区别？
- 进程上下文切换是指，从一个进程切换到另一个进程；系统调用过程一直是同一个进程在运行，属于进程之内的上下文切换
需要注意的是：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，保存上下文和恢复上下文的过程并不免费，需要消耗一定资源
-
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。而系统调用这里没有涉及到虚拟内存等这些进程用户态的资源
-
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。
进程切换的常见场景
进程切换时需要切换上下文，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。
进程切换的场景有：
- 进程时间片耗尽，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。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。
- 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。
- 进程通过睡眠函数 sleep 主动把自己挂起，CPU会重新调度；
- 当有CPU发现优先级更高的进程运行时，为了去运行高优先级进程