<audio id="audio" title="03 | 基础篇：经常说的 CPU 上下文切换是什么意思？（上）" controls="" preload="none"><source id="mp3" src="https://static001.geekbang.org/resource/audio/be/3a/bea8e1df9d4cbddc0b66fc753e8cee3a.mp3"></audio>

你好，我是倪朋飞。

上一节，我给你讲了要怎么理解平均负载（ Load Average），并用三个案例展示了不同场景下平均负载升高的分析方法。这其中，多个进程竞争 CPU 就是一个经常被我们忽视的问题。

我想你一定很好奇，进程在竞争 CPU 的时候并没有真正运行，为什么还会导致系统的负载升高呢？看到今天的主题，你应该已经猜到了，CPU 上下文切换就是罪魁祸首。

我们都知道，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**。

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知道了什么是 CPU 上下文，我想你也很容易理解 **CPU 上下文切换**。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。

我猜肯定会有人说，CPU 上下文切换无非就是更新了 CPU 寄存器的值嘛，但这些寄存器，本身就是为了快速运行任务而设计的，为什么会影响系统的 CPU 性能呢？

在回答这个问题前，不知道你有没有想过，操作系统管理的这些“任务”到底是什么呢？

也许你会说，任务就是进程，或者说任务就是线程。是的，进程和线程正是最常见的任务。但是除此之外，还有没有其他的任务呢？

不要忘了，硬件通过触发信号，会导致中断处理程序的调用，也是一种常见的任务。

所以，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**。

这节课我就带你来看看，怎么理解这几个不同的上下文切换，以及它们为什么会引发 CPU 性能相关问题。

## 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。

<li>
内核空间（Ring 0）具有最高权限，可以直接访问所有资源；
</li>
<li>
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。
</li>

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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。

那么，系统调用的过程有没有发生 CPU 上下文的切换呢？答案自然是肯定的。

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。

而系统调用结束后，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。所以，一次系统调用的过程，其实是发生了两次 CPU 上下文切换。

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：

<li>
进程上下文切换，是指从一个进程切换到另一个进程运行。
</li>
<li>
而系统调用过程中一直是同一个进程在运行。
</li>

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。

那么，进程上下文切换跟系统调用又有什么区别呢？

首先，你需要知道，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。

<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/39/6b/395666667d77e718da63261be478a96b.png" alt="">

根据[ Tsuna ](https://blog.tsunanet.net/2010/11/how-long-does-it-take-to-make-context.html)的测试报告，每次上下文切换都需要几十纳秒到数微秒的 CPU 时间。这个时间还是相当可观的，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 将大量时间耗费在寄存器、内核栈以及虚拟内存等资源的保存和恢复上，进而大大缩短了真正运行进程的时间。这也正是上一节中我们所讲的，导致平均负载升高的一个重要因素。

另外，我们知道， 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。特别是在多处理器系统上，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他处理器的进程。

知道了进程上下文切换潜在的性能问题后，我们再来看，究竟什么时候会切换进程上下文。

显然，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。

那么，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会释放出来，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。

了解这几个场景是非常有必要的，因为一旦出现上下文切换的性能问题，它们就是幕后凶手。

## 线程上下文切换

说完了进程的上下文切换，我们再来看看线程相关的问题。

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：

<li>
当进程只有一个线程时，可以认为进程就等于线程。
</li>
<li>
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。
</li>
<li>
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。
</li>

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

除了前面两种上下文切换，还有一个场景也会切换 CPU 上下文，那就是中断。

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。

## 小结

总结一下，不管是哪种场景导致的上下文切换，你都应该知道：

<li>
CPU 上下文切换，是保证 Linux 系统正常工作的核心功能之一，一般情况下不需要我们特别关注。
</li>
<li>
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，导致系统的整体性能大幅下降。
</li>

今天主要为你介绍这几种上下文切换的工作原理，下一节，我将继续案例实战，说说上下文切换问题的分析方法。

## 思考

最后，我想邀请你一起来聊聊，你所理解的 CPU 上下文切换。你可以结合今天的内容，总结自己的思路和看法，写下你的学习心得。

欢迎在留言区和我讨论。

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