多个进程竞争 CPU 也会导致平均负载的升高，这是由于CPU的上下文切换导致的。

一、CPU上下文

        Linux 是一个多任务操作系统，系统会在很短的时间内，将CPU时间片轮流分配给任务，由于时间片很短，就会给人以同时运行的感觉（每秒几十上百次）。

        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CPU，需要从寄存器中恢复，跳转到程序计数器所指向的位置。

1. CPU 寄存器：是CPU 内置的容量小、但速度极快的内存。
2. 程序计数器：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。

CPU 上下文切换：把前一个任务的CPU上下文（CPU寄存器和程序计数器）保存，然后加载新任务的上下文到寄存器和程序计数器中，跳转到程序计数器所指向的位置，开始执行任务。

CPU上下文切换的场景，根据任务不同分为以下场景：

1. 进程上下文切换
2. 线程上下文切换
3. 中断上下文切换（硬件中断而触发）
4. 特权模式切换（通过系统调用的方式）

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二、特权模式切换

Linux按照特权等级，可以分为四个等级，标记为0-3。在大多数操作系统中

• Ring 0代表最高权限，内核空间，可以直接访问所有资源。
• Ring 3代表用户空间，不能直接访问内存等硬件设备，通过系统调用陷入系统，访问这些特权资源。

        进程从用户态切换到内核态，需要通过系统调用的方式。该过程也是有CPU上下文切换的：切换时，先保存CPU寄存器中用户态的指令位置，再重新更新为内核指令的位置。当系统调用结束时，CPU寄存器恢复到原来保存的用户态。一次系统调用，发生了两次CPU上下文切换。

此次切换，并没有切换进程，也不会涉及到虚拟内存等进程用户态的资源。

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三、进程上下文切换

进程资源包括四个部分：

• text段包含程序文本，即程序所组成的机器语言指令。
• static段包含由编译器所分配的变量，包括全局变量，和使用static声明的局部变量。
• stack段包含运行时栈，它由栈帧组成，每个栈帧包含函数参数、本地变量及其他。
• heap段包含运行时分配的内存块，通常通过调用C标准库函数malloc来分配。

1. 进程上下文切换的潜在性能消耗

        进程是由内核管理和调度的，进程的切换只能发生在内核态。因此，进程的上下文：1.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。

        进程的上下文切换：保存该进程在用户态的虚拟内存、栈等资源，并且保持当前进程的内核状态和CPU寄存器；在加载了下一进程的内核态后，还需要刷新新进程的虚拟内存和用户栈。

        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，是导致平均负载升高的一个重要因素。

        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也需要更新，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。

2. 进程何时会被调度到CPU上运行

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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。

5. 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。

一旦出现上下文切换的性能问题，就是以上的场景导致的。

四、线程上下文切换

进程是资源分配的基本单位，线程是资源调度的基本单位。

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。

• 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。

• 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是需要保存的。

线程的上下文切换可以分为两种情况

1. 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。

2. 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。

因此，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（线程池）代替多进程的一个优势。

五、中断上下文切换

        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。在打断其他进程时，会将进程当前的状态保存下来，在中断结束的时候，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。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，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。另外，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。

        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，当发现中断次数过多时，就需要注意去排查它是否会给系统带来严重的性能问题。

六、总结

1. 一般情况下，都不怎么需要关注CPU上下文带来的性能消耗。
2. 过多的上下文切换（例如IO密集型系统），会导致CPU消耗更多的时间在虚拟内存等数据的保存和恢复上，降低进程真正运行的时间，导致系统性能降低。