CPU上下⽂切换是什么意思
什么是 CPU 上下文？
多个进程竞争 CPU 会导致平均负载（ Load Average）升高，但是进程在竞争 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？原因就在于CPU 上下⽂切换。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。
什么是 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。
CPU 上下文切换类型
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
- 中断上下⽂切换
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。
- 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。
换个⻆度看，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
- 接着调⽤ write() 将内容写到标准输出
- 最后再调⽤ close() 关闭⽂件。
系统调⽤的过程会发⽣ CPU 上下⽂的切换。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。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：
- 进程上下⽂切换，是指从⼀个进程切换到另⼀个进程运⾏。
- 系统调⽤过程中⼀直是同⼀个进程在运⾏。
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。
进程上下⽂切换跟系统调的区别
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。
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秒的 CPU 时间。如果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，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。
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时间最⻓的进程
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
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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
- 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。
所以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
不管是哪种场景导致的上下⽂切换，你都应该知道：
- 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。
- 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。
怎么查看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，主要⽤来分析系统的内存使⽤情况，也常⽤来分析 CPU 上下⽂切换和中断的次数。
# 每隔5秒输出1组数据
root@Test-MySQL:/home/zoom# vmstat 5
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st
1 0 858404 353872 278700 6337136 0 0 13 139 4 15 1 0 99 0 0- cs（context switch）是每秒上下⽂切换的次数。
- in（interrupt）则是每秒中断的次数。
- r（Running or Runnable）是就绪队列的⻓度，也就是正在运⾏和等待CPU的进程数。
- b（Blocked）则是处于不可中断睡眠状态的进程数。
可以看到，这个例⼦中的上下⽂切换次数 cs 是15次，⽽系统中断次数 in 则是4次，⽽就绪队列⻓度r和不可中断状态进程数b都是0。
vmstat 只给出了系统总体的上下⽂切换情况，要想查看每个进程的详细情况，就需要使⽤我们前⾯提到过的 pidstat 了。给它加上 -w 选项，你就可以查看每个进程上下⽂切换的情况了。
# 每隔5秒输出1组数据
root@Test-MySQL:/home/zoom# pidstat -w 5
Linux 5.15.0-119-generic (Test-MySQL) 09/18/2024 _x86_64_ (4 CPU)
09:15:17 AM UID PID cswch/s nvcswch/s Command
09:15:22 AM 0 14 12.38 0.00 rcu_sched
09:15:22 AM 0 15 0.40 0.00 migration/0
09:15:22 AM 0 21 0.40 0.00 migration/1
09:15:22 AM 0 27 0.40 0.00 migration/2
09:15:22 AM 0 33 0.40 0.00 migration/3
09:15:22 AM 0 44 2.00 0.00 kcompactd0
09:15:22 AM 0 152 22.75 0.00 kworker/2:1H-kblockd
09:15:22 AM 0 198 0.20 0.00 kworker/3:1H-kblockd
09:15:22 AM 0 235 4.79 0.00 irq/16-vmwgfx
09:15:22 AM 0 487 0.60 0.20 jbd2/dm-0-8
09:15:22 AM 0 604 1.20 0.00 multipathd
09:15:22 AM 0 823 10.98 0.00 vmtoolsd
09:15:22 AM 101 923 0.20 0.00 systemd-network
09:15:22 AM 0 965 0.20 0.00 irqbalance
09:15:22 AM 115 994 0.20 0.00 chronyd
09:15:22 AM 0 2332 4.79 0.00 ssm-agent-worke
09:15:22 AM 0 602404 28.94 0.00 kworker/u256:2-events_power_efficient
09:15:22 AM 0 602858 3.79 0.00 kworker/u256:1-ext4-rsv-conversion
09:15:22 AM 1000 602865 0.20 0.00 sshd
09:15:22 AM 0 612155 1.20 0.00 kworker/1:2-events
09:15:22 AM 0 612174 11.78 0.00 kworker/0:0-events
09:15:22 AM 0 613212 4.19 0.00 kworker/3:0-events
09:15:22 AM 0 613242 11.78 0.00 kworker/2:0-events
09:15:22 AM 0 613244 0.20 0.00 pidstat这个结果中有两列内容是我们的重点关注对象。⼀个是 cswch ，表示每秒⾃愿上下⽂切换（voluntary context switches）的次数，另⼀个则是 nvcswch ，表示每秒⾮⾃愿上下⽂切换（non voluntary context switches）的次数。这两个概念意味着不同的性能问题：
- 所谓⾃愿上下⽂切换，是指进程⽆法获取所需资源，导致的上下⽂切换。⽐如说， I/O、内存等系统资源不⾜时，就会发⽣⾃愿上下⽂切换。
- ⾮⾃愿上下⽂切换，则是指进程由于时间⽚已到等原因，被系统强制调度，进⽽发⽣的上下⽂切换。⽐如说，⼤量进程都在争抢 CPU 时，就容易发⽣⾮⾃愿上下⽂切换。
案例分析
知道了怎么查看这些指标，另⼀个问题⼜来了，上下⽂切换频率是多少次才算正常呢？我们先来看⼀个上下⽂切换的案例。通过案例实战演练分析并找出这个标准。我们将使⽤ sysbench 来模拟系统多线程调度切换的情况。sysbench 是⼀个多线程的基准测试⼯具，⼀般⽤来评估不同系统参数下的数据库负载情况。当然，在这次案例中，我们只把它当成⼀个异常进程来看，作⽤是模拟上下⽂切换过多的问题。
先⽤ vmstat 看⼀下空闲系统的上下⽂切换次数。这⾥你可以看到，现在的上下⽂切换次数 cs 是15，⽽中断次数 in 是4，r和b都是0。因为这会⼉我并没有运⾏其他任务，所以它们就是空闲系统的上下⽂切换次数。
root@Test-MySQL:/home/zoom# vmstat
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st
0 0 858404 364240 278796 6338484 0 0 13 139 4 15 1 0 99 0 0操作和分析
- 在第⼀个终端⾥运⾏ sysbench ，模拟系统多线程调度的瓶颈
root@Test-MySQL:/home/zoom# vmstat 1 procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu----- r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st 6 0 858404 363516 278884 6339308 0 0 0 16 191677 1221954 13 68 18 0 0 4 0 858404 363516 278884 6339316 0 0 0 0 195832 1270357 12 69 19 0 0
CPU上下文切换由15骤然上升到了 120 多万。同时，注意观察其他⼏个指标：
r 列：就绪队列的⻓度已经到了 8，远远超过了系统 CPU 的个数 2，所以肯定会有⼤量的 CPU 竞争。
us（user）和 sy（system）列：这两列的CPU 使⽤率加起来上升到了 100%，其中系统 CPU 使⽤率，也就是 sy 列⾼达
84%，说明 CPU 主要是被内核占⽤了。
in 列：中断次数也上升到了1万左右，说明中断处理也是个潜在的问题。
# 间隔1秒后输出1组数据
$ vmstat 1 1
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st
0 0 0 6984064 92668 830896 0 0 2 19 19 35 1 0 99 0 0
# 以10个线程运⾏5分钟的基准测试，模拟多线程切换的问题
$ sysbench --threads=10 --max-time=300 threads run
# 每隔1秒输出1组数据（需要Ctrl+C才结束）
$ vmstat 1
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st
6 0 0 6487428 118240 1292772 0 0 0 0 9019 1398830 16 84 0 0 0
8 0 0 6487428 118240 1292772 0 0 0 0 10191 1392312 16 84 0 0 0
综合这⼏个指标，我们可以知道，系统的就绪队列过⻓，也就是正在运⾏和等待CPU的进程数过多，导致了⼤量的上下⽂切
换，⽽上下⽂切换⼜导致了系统 CPU 的占⽤率升⾼。
那么到底是什么进程导致了这些问题呢？
我们继续分析，在第三个终端再⽤ pidstat 来看⼀下， CPU 和进程上下⽂切换的情况：
