CPU上下文切换是什么意思（上）
1. CPU上下文
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上下文。CPU上下文包括了寄存器和程序计数器。
寄存器：是 CPU 内置的容量小、但速度极快的内存。
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。
2. 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CPU上下文，最后再跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务。
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。
3. 系统调用
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。
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。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：
1)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，所以系统调用又称“特权切换”。
2)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。
4. 进程上下文切换
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。
5. 进程在什么时候才会被调度到CPU上运行？
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，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。
6. 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。
7. 中断上下文
中断是指为了快速响应硬件的事件，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。
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，中断上下文只包括内核态中断服务程序所需的参数，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。
8. 总结
1、系统调用是进程用户态到内核态的切换，不会涉及进程用户态资源的修改，比如虚拟内存、全局变量等。系统调用发生在同一个进程内。
2、进程上下文包括了用户态资源，比如虚拟内存、全局变量等；还包括了内核态资源，比如内存堆栈、寄存器。所以，进程上下文切换需要保存这些资源信息。
3、线程上下文包括了进程用户态的虚拟内存、全局变量信息（进程分配的），还有线程私有变量比如栈和寄存器。进程内的所有线程的用户态资源是共享的。
4、线程上下文切换可以分为下面几种情况：
（1）同一个进程内的线程切换
用户态的虚拟内存、全局变量不变，只改变线程的私有变量。
（2）不同进程的线程切换
等价于进程切换
5、中断上下文只包括进程内核态中中断程序所需的资源，比如CPU寄存器、内存对战、中断参数等。
6、中断上下文不会和进程上下文切换同时发生，并且中断上下文切换拥有更高的优先级。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。。