Linux | 用户态和内核态的切换耗费时间的原因

最近看到的一个问题，Java线程切换为什么成本会高，由于Java线程的切换是需要用户态和内核态转换的，在学习计算机操作系统时，状态转换成本高就被当做常识，那么为什么会成本高，记录在这方便复习

（此外，java程序的加锁和解锁也涉及到状态转换）

应用程序的执行必须依托于内核提供的资源，包括CPU资源、存储资源、I/O资源等。为了使上层应用能够访问到这些资源，内核必须为上层应用提供访问的接口：即系统调用。因此，如果一个程序需要从用户态进入内核态，那么它必须执行系统调用语句。

当程序中有系统调用语句，程序执行到系统调用时，首先使用类似int 80H的软中断指令，保存现场，去系统调用，在内核态执行，然后恢复现场，每个进程都会有两个栈，一个内核态栈和一个用户态栈。当int中断执行时就会由用户态栈转向内核态栈。系统调用时需要进行栈的切换。而且内核代码对用户不信任，需要进行额外的检查。系统调用的返回过程有很多额外工作，比如检查是否需要调度等。 

系统调用一般都需要保存用户程序得上下文(context), 在进入内核的时候需要保存用户态的寄存器，在内核态返回用户态的时候会恢复这些寄存器的内容。这是一个开销的地方。 如果需要在不同用户程序间切换的话，那么还要更新cr3寄存器，这样会更换每个程序的虚拟内存到物理内存映射表的地址，也是一个比较高负担的操作