一不小心距离上一篇文章已有近一个月的时间了：），主要是最近菜鸟我在忙一件人生的大事，所以拖了这么长时间没更，对不住了您嘞！不过，菜鸟我出品的，必然是精品（吹个小牛，嘿嘿：o！！！）
上一篇文章给大家简单介绍了一下负载以及在Linux中如何查看这些数据，帮助你来判断机器的使用情况。没看过的小伙伴可以回去复习一下，接下来我们继续学习CPU上下文。
我们上一篇文章中讲到，现代操作系统大多是多任务操作系统。直白点讲就是，我就算只有一个CPU，这个CPU也可以“同时”运行两个任务（例如同时运行微信和钉钉）。当然，这里的“同时”并不是真的同时，CPU也是轮流执行这两个任务的，只是速度太快，在我们人类看来就误以为是同时运行。
任务指的是什么？
答案：这里的任务指的是：进程、线程或是信号触发的中断程序调用。
CPU是怎样切换任务的呢？
答案：CPU通过切换CPU上下文切换来调度不同的任务。
那啥又是CPU上下文呢？
答案：CPU在运行一个任务之前，要知道任务从哪里加载、从哪里开始运行，这些数据都存放在CPU寄存器和程序计数器（Program Counter，PC）中。CPU寄存器，是CPU本身含有的容量小，速度快的内存模块。PC是用来存储CPU正在执行的或即将执行的指令的位置。这些数据都是CPU执行一个任务依赖的必要环境，称之为CPU上下文
搞明白了什么是CPU上下文，那么CPU上下文也就一目了然了，就是先把当前任务的CPU上下文保存起来，然后加载即将运行任务的上下文的过程，称为CPU上下文切换。这些保存下来的上下文，将被存储在内核中，在CPU重新执行其对应的任务时，再次加载。这样保证了逻辑执行的连续性。
根据任务的不同，CPU上下文切换也分为：线程上下文切换、进程上下文切换和中断上下文切换。
线程上下文切换
线程是调度的基本单位，进程是资源拥有的基本单位（官方文档）。用人话讲就是，内核中的任务调度都是对线程的操作；进程只是给线程提供了虚拟内存、全局变量等资源。
菜鸟君提醒：如果你想要彻底搞明白 ”线程是调度的基本单位，进程是资源拥有的基本单位“ 这句话，需要了解计算机系统的虚拟内存机制。这又是另一个比较大的话题，我们以后详细讲。如果你迫不及待想要了解，推荐《计算机操作系统》第九章，《虚拟内存》
目前我们可以简单这么理解：
当进程只有一个线程时，进程就等于线程 当进程拥有较多的线程时，其中的线程会共享虚拟内存和全局变量等资源，这些资源在线程上下文切换时不需要更新；但是对于线程私有的数据——栈和寄存器以及局部变量等，需要更新。
那么上下文切换就分为两种：
两个线程属于不同的进程，那么和进程上下文切换没有区别（文章稍后涉及） 前后两线程属于同一个进程，上下文切换时，只需要更新私有数据、寄存器等不共享的数据
进程上下文切换
首先按照Linux特权等级，将进程分为内核空间进程和用户空间进程。分别对应下图中的Ring 0 和 Ring 3（这点常年搞逆向的同学肯定很清楚）
内核空间（Ring 0）进程，具有最高权限，可以直接访问所有资源 用户空间（Ring 3）进程，只能访问特定的资源，如需访问内存等硬件设备，需要通过系统调用（System Call）陷入到内核中，才能访问这类特权资源。
这里所谓的陷入到内核中 这一过程就是一次CPU上下文切换。CPU 寄存器里原来用户态的指令位置，需要先保存起来。接着，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。待内核任务执行完成后，CPU需要恢复到用户态，这又是一次CPU上下文切换。
菜鸟提醒：系统调用不会涉及虚拟内存等进程用户态资源。该过程始终是同一个进程在运行。所以有些同学可能会讲系统调用过程通常称为特权模式切换，而不是上下文切换，但现实中，CPU上下文切换无法避免。
提醒中讲到，系统调用不涉及进程切换，那么涉及进程切换又是怎样的呢？
答: 进程是由内核管理、调度的，所以进程上下文切换只能发生在内核态。进而推出进程上下文不仅包括虚拟内存、栈、全局变量 还包含 内核堆栈、寄存器等内核空间状态。如下图，整个过程比系统调用多了一步：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。
从上文中我们看出，进程间的CPU上下文切换需要在内核中完成。这一过程需要数十纳秒到数微妙的CPU时间。
如果进程上下文切换次数太多，CPU将大量的时间消耗在寄存器、内核栈以及虚拟内存等资源的保存和恢复上。而真正执行进程逻辑的时间会大比例下降，将导致平均负载升高。
此外Linux通过TLB（Translation Lookaside Buffer）管理管理虚拟内存，（TLB将虚拟内存的最新数据转换存储到物理内存，可以称为地址转换缓存）所以当虚拟内存更新后，TLB也需要刷新，在刷新过程中，内存访问也会变慢。特别是多处理器共享缓存的情况下。
接下来的问题是，进程什么时候发生切换？
Linux系统为每个CPU维护一个就绪的队列，（上一篇文章中我们提到htop/top可以查看这个队列），将活跃进程按照优先级排序，选择优先级最高的进程来运行。
当然CPU并不是执行完一个进程再执行下一个进程。而是将CPU时间划分为一段一段的时间片段。将这些时间片段分配给不同的进程，当一个时间片段耗尽后，其对应的进程就会别挂起，CPU转而执行另一个进程。 当进程所需的资源不足时也会被内核挂起，这是内核调度其他进程让CPU执行 进程也可以通过sleep函数将自己挂起 还有一种情况是，当更高优先级的进程入场时，当前的进程就要被挂起 还有就是硬件中断，信号中断等也可以让进程被挂起或中断（例如Ctrl+C, :)）
中断上下文切换
书接上文，我们来看 中断上下文切换。有时候为了对硬件时间做出反应，就需要一个机制来让进程被动地响应硬件事件，这就是中断机制。中断会打断进程的正常调度和执行，让内核转而调用中断处理程序来响应硬件事件。中断处理比进程处理优先级更高。
重点来喽:
和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。
和进程上下文不同，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。
总结
本文主要讲了：
CPU上下文的定义 3中CPU上下文切换的情况
预告
接下来将会出一个小视频，带着大家看看具体用哪些系统工具来查看CPU上下文切换相关的数据，以及这些切换是如何影响系统性能的。
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