线程上下文切换

对操作系统来说，进程是资源分配的基本单位，而线程则是任务调度的基本单位。内核中的任务调度实际是在调度线程，进程只是给线程提供虚拟内存、全局变量等资源。线程上下文切换时，共享相同的虚拟内存和全局变量等资源不需要修改。而线程自己的私有数据，如栈和寄存器等，上下文切换时需要保存。
关于进程和线程的区别：

• 当进程中只有一个线程时，可以认为进程就等于线程。
• 当进程拥有多个线程时，这些线程会共享父进程的资源（即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。

因此线程上下文切换有两种情况：

• 前后两个线程属于不同进程，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的；
• 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。

中断上下文切换

上下文切换有时也因硬件中断而触发。硬件中断是指硬件设备（如键盘、鼠标、调试解调器、系统时钟）给内核发送的一个信号，该信号表示一个事件（如按键、鼠标移动、从网络连接接收到数据）发生了。
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，然后调用中断处理程序，响应设备事件。在打断其他进程时，需要先将进程当前的状态保存下来，等中断结束后，进程仍然可以恢复回来。

跟进程上下文不同，中断上下文切换不涉及进程的用户态。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，只包括内核态中断服务程序执行所必需的状态，也就是 CPU 寄存器、内核堆栈、硬件中断参数等。

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须的状态，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不会与进程上下文切换同时发生。并且，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，以便可以尽快完成。

上下文切换的消耗

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。据测试，每次上下文切换都需要几十纳秒到数微妙的 CPU 时间。特别是在进程上下文切换次数较多的情况下，很容易导致 CPU 将大量时间消耗在寄存器、内核栈、虚拟内存等资源的保存和恢复上，从而大大缩短了真正运行进程的时间。

Linux相比与其他操作系统（包括其他类 Unix 系统）有很多的优点，其中有一项就是，其上下文切换和模式切换的时间消耗非常少。
Linux 通过 TLB 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。特别是多处理器系统上，缓存是被多个处理器共享的，刷新缓存不仅会影响当前处理器的进程，还会影响共享缓存的其它处理器的进程。所以过多的上下文切换对系统来说意味着会消耗大量的 CPU 时间。

根据Tsuna的测试报告，每次上下文切换都需要几十纳秒到数微妙的CPU时间，这个时间还是相当可观的。
不管是哪种场景导致的上下文切换，你都应该知道：

1. CPU上下文切换，是保证Linux系统正常工作的核心功能，一般情况下不需要开发人员特别关注。
2. 但过多的上下文切换，会把CPU时间消耗在寄存器、内核栈以及虚拟内存等数据的保存和恢复上，从而缩短进程真正运行的时间，耗费大量的 CPU，甚至严重降低系统的整体性能。

补充：vmstat命令查看整体CPU上下文切换情况

上面已经介绍到CPU上下文切换分为进程上下文切换、线程上下文切换、中断上下文切换，那么过多的上下文切换会把CPU的时间消耗在寄存器、内核栈以及虚拟内存等数据的保存和恢复上，缩短进程真正运行的时间，成为系统性能大幅下降的一个因素
所以我们可以使用vmstat这个工具来查询系统的上下文切换情况，vmstat是一个常用的系统性能分析工具，可以用来分析CPU上下文切换和中断的次数
执行如下的命令：vmstat 5 （每隔5s输出一组数据）

该命令输出信息中，各个字段以及含义：
procs：procs 中有 r 和 b 列，它报告进程统计信息。在上面的输出中，在运行队列（r）中有两个进程在等待 CPU 并有零个休眠进程（b）。通常，它不应该超过处理器（或核心）的数量，如果你发现异常，最好使用 top 命令进一步地排除故障。

• r：等待运行的进程数。
• b：休眠状态下的进程数。

memory： memory 下有报告内存统计的 swpd、free、buff 和 cache 列。你可以用 free -m 命令看到同样的信息。在上面的内存统计中，统计数据以千字节表示，这有点难以理解，最好添加 M 参数来看到以兆字节为单位的统计数据。

• swpd：使用的虚拟内存量。
• free：空闲内存量。
• buff：用作缓冲区的内存量。
• cache：用作高速缓存的内存量。
• inact：非活动内存的数量。
• active：活动内存量。

swap：swap 有 si 和 so 列，用于报告交换内存统计信息。你可以用 free -m 命令看到相同的信息。

• si：从磁盘交换的内存量（换入，从 swap 移到实际内存的内存）。
• so：交换到磁盘的内存量（换出，从实际内存移动到 swap 的内存）。

I/O：I/O 有 bi 和 bo 列，它以“块读取”和“块写入”的单位来报告每秒磁盘读取和写入的块的统计信息。如果你发现有巨大的 I/O 读写，最好使用 iotop 和 iostat 命令来查看。

• bi：从块设备接收的块数。
• bo：发送到块设备的块数。

system：system 有 in 和 cs 列，它报告每秒的系统操作。

• in：每秒的系统中断数，包括时钟中断。
• cs：系统为了处理所以任务而上下文切换的数量。

CPU：CPU 有 us、sy、id 和 wa 列，报告（所用的） CPU 资源占总 CPU 时间的百分比。如果你发现异常，最好使用 top 和 free 命令。

• us：处理器在非内核程序消耗的时间。
• sy：处理器在内核相关任务上消耗的时间。
• id：处理器的空闲时间。
• wa：处理器在等待IO操作完成以继续处理任务上的时间。

补充：pidstat命令查看进程的CPU上下文切换情况

笔者的环境是：Centos7

执行如下的命令：pidstat，查看进程的CPU上下文切换情况
如果没有安装，yum install sysstat安装即可

在结果中你能看到如下内容：