cpu上下文切換是什麼意思（上）
1. cpu上下文
我們都知道，linux 是乙個多工作業系統，它支援遠大於 cpu 數量的任務同時執行。當然，這些任務實際上並不是真的在同時執行，而是因為系統在很短的時間內，將 cpu 輪流分配給它們，造成多工同時執行的錯覺。
而在每個任務執行前，cpu 都需要知道任務從**載入、又從**開始執行，也就是說，需要系統事先幫它設定好 cpu上下文。cpu上下文包括了暫存器和程式計數器。
暫存器：是 cpu 內建的容量小、但速度極快的記憶體。
2. cpu上下文切換
cpu 上下文切換，就是先把前乙個任務的 cpu 上下文（也就是 cpu 暫存器和程式計數器）儲存起來，然後載入新任務的cpu上下文，最後再跳轉到程式計數器所指的新位置，執行新任務。
根據任務的不同，cpu 的上下文切換就可以分為幾個不同的場景，也就是程序上下文切換、執行緒上下文切換以及中斷上下文切換。
3. 系統呼叫
linux
按照特權等級，把程序的執行空間分為核心空間和使用者空間，分別對應著下圖中，
cpu
特權等級的
ring 0
和ring 3。
核心空間（
ring 0
）具有最高許可權，可以直接訪問所有資源；
使用者空間（
ring 3
）只能訪問受限資源，不能直接訪問記憶體等硬體裝置，必須通過系統呼叫陷入到核心中，才能訪問這些特權資源。
程序既可以在使用者空間執行，又可以在核心空間中執行。程序在使用者空間執行時，被稱為程序的使用者態，而陷入核心空間的時候，被稱為程序的核心態。
從使用者態到核心態的轉變，需要通過系統呼叫來完成。那麼，系統呼叫的過程有沒有發生
cpu
上下文的切換呢？
答案自然是肯定的。
cpu
暫存器裡原來使用者態的指令位置，需要先儲存起來。接著，為了執行核心態**，
cpu
暫存器需要更新為核心態指令的新位置。最後才是跳轉到核心態執行核心任務。而系統呼叫結束後，
cpu
暫存器需要恢復原來儲存的使用者態，然後再切換到使用者空間，繼續執行程序。所以，一次系統呼叫的過程，其實是發生了兩次cpu上下文切換。
不過，需要注意的是：
1)系統呼叫過程中，並不會涉及到虛擬記憶體等程序使用者態的資源，也不會切換程序，所以系統呼叫又稱「特權切換」。
2) 程序上下文切換，是指從乙個程序切換到另乙個程序執行，而系統呼叫過程中一直是同乙個程序在執行。
4. 程序上下文切換
程序是由核心來管理和排程的，程序的切換只能發生在核心態。所以，程序的上下文不僅包括了虛擬記憶體、棧、全域性變數等使用者空間的資源，還包括了核心堆疊、暫存器等核心空間的狀態。因此，程序的上下文切換就比系統呼叫時多了一步：在儲存當前程序的核心狀態和
cpu
暫存器之前，需要先把該程序的虛擬記憶體、棧等儲存下來；而載入了下一程序的核心態後，還需要重新整理程序的虛擬記憶體和使用者棧。
5. 程序在什麼時候才會被排程到cpu上執行？
其一，為了保證所有程序可以得到公平排程，
cpu
時間被劃分為一段段的時間片，這些時間片再**流分配給各個程序。這樣，當某個程序的時間片耗盡了，就會被系統掛起，切換到其它正在等待
cpu
的程序執行。
其二，程序在系統資源不足（比如記憶體不足）時，要等到資源滿足後才可以執行，這個時候程序也會被掛起，並由系統排程其他程序執行。
其三，當程序通過睡眠函式
sleep
這樣的方法將自己主動掛起時，自然也會重新排程。
其四，當有優先順序更高的程序執行時，為了保證高優先順序程序的執行，當前程序會被掛起，由高優先順序程序來執行。
最後，發生硬體中斷時，
cpu
上的程序會被中斷掛起，轉而執行核心中的中斷服務程式。
6. 執行緒上下文切換
執行緒與程序最大的區別在於，執行緒是排程的基本單位，而程序則是資源擁有的基本單位。說白了，所謂核心中的任務排程，實際上的排程物件是執行緒；而程序只是給執行緒提供了虛擬記憶體、全域性變數等資源。所以，對於執行緒和程序，我們可以這麼理解：
當程序只有乙個執行緒時，可以認為程序就等於執行緒。
當程序擁有多個執行緒時，這些執行緒會共享相同的虛擬記憶體和全域性變數等資源。這些資源在上下文切換時是不需要修改的。
另外，執行緒也有自己的私有資料，比如棧和暫存器等，這些在上下文切換時也是需要儲存的。
這麼一來，執行緒的上下文切換其實就可以分為兩種情況：
第一種，
前後兩個執行緒屬於不同程序。此時，因為資源不共享，所以切換過程就跟程序上下文切換是一樣。
第二種，前後兩個執行緒屬於同乙個程序。此時，因為虛擬記憶體是共享的，所以在切換時，虛擬記憶體這些資源就保持不動，只需要切換執行緒的私有資料、暫存器等不共享的資料。到這裡你應該也發現了，雖然同為上下文切換，但同程序內的執行緒切換，要比多程序間的切換消耗更少的資源，而這，也正是多執行緒代替多程序的乙個優勢。
7. 中斷上下文
中斷是指為了快速響應硬體的事件，會打斷程序的正常排程和執行，轉而呼叫中斷處理程式，響應裝置事件。
跟程序上下文不同，中斷上下文切換並不涉及到程序的使用者態。所以，即便中斷過程打斷了乙個正處在使用者態的程序，也不需要儲存和恢復這個程序的虛擬記憶體、全域性變數等使用者態資源。中斷上下文，中斷上下文只包括核心態中斷服務程式所需的引數，包括cpu暫存器、核心堆疊、硬體中斷引數等。
對同乙個cpu來說，中斷處理比程序擁有更高的優先順序，所以中斷上下文切換並不會與程序上下文切換同時發生。同樣道理，由於中斷會打斷正常程序的排程和執行，所以大部分中斷處理程式都短小精悍，以便盡可能快的執行結束。
8. 總結
1、系統呼叫是程序使用者態到核心態的切換，不會涉及程序使用者態資源的修改，比如虛擬記憶體、全域性變數等。系統呼叫發生在同乙個程序內。
2、程序上下文包括了使用者態資源，比如虛擬記憶體、全域性變數等；還包括了核心態資源，比如記憶體堆疊、暫存器。所以，程序上下文切換需要儲存這些資源資訊。
3、執行緒上下文包括了程序使用者態的虛擬記憶體、全域性變數資訊（程序分配的），還有執行緒私有變數比如棧和暫存器。程序內的所有執行緒的使用者態資源是共享的。
4、執行緒上下文切換可以分為下面幾種情況：
（1）同乙個程序內的執行緒切換
使用者態的虛擬記憶體、全域性變數不變，只改變執行緒的私有變數。
（2）不同程序的執行緒切換
等價於程序切換
5、中斷上下文只包括程序核心態中中斷程式所需的資源，比如cpu暫存器、記憶體對戰、中斷引數等。
6、中斷上下文不會和程序上下文切換同時發生，並且中斷上下文切換擁有更高的優先順序。中斷上下文切換也需要消耗
cpu，切換次數過多也會耗費大量的
cpu，甚至嚴重降低系統的整體效能。。
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