一、概述
1、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
2、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）
3、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。
4、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。）
5、场景分类：进程上下文切换、线程上下文切换以及中断上下文切换。
二、上下文切换理解
1、进程上下文切换
1）系统调用（特权模式切换）
1、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。
2、系统调用：
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，并调用 write() 将内容写到标准输出，最后再调用 close() 关闭文件。
3、系统调用中的CPU上下文切换：
* 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。
注：
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
故：
系统调用过程通常称为特权模式切换，而不是上下文切换。
4、总结：
* 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。
* 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。
2）进程间上下文切换（通常理解的上下文切换）
1、上面说了系统调用是特权模式切换，下面对比这来理解下进程CPU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。
* 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。
2、进程上下文切换带来的影响：
* 每次上下文切换都需要几十纳秒到数微秒的 CPU 时间。这个时间还是相当可观的，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。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。
* 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。
3、进程上下文切换的原因
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 时间最长的进程来运行。
3）进程上下文切换的几个场景
a、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。
b、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。
c、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。
d、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。
e、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。
2、线程上下文切换
1）进程与线程
a、线程与进程001:
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。其实，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
b、线程与进程002：
* 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也是需要保存的。
2）线程上下文切换场景
a、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。
b、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。
注：
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。
3、中断上下文切换
1、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。
2、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。
3、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。
4、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。
三、CPU上下文切换分析
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，缩短进程真正运行的时间，成了系统性能大幅下降的元凶，下面我们来分析一波。
1、分析工具
1）vmstat
a、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。
b、使用示例
# 每隔5秒输出1组数据
[root@172-16-104-112 ~]# 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 0 15322076 2240 627128 0 0 0 28 2 2 0 0 100 0 0
其中：
* 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）是就绪队列的长度，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 2 次，而系统中断次数 in 则是 2 次，而就绪队列长度 r 是 1 次，不可中断状态进程数 b 是 0。
2）pidstat
a、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。
b、使用示例
# 每隔5秒输出1组数据
[root@172-16-104-112 ~]# pidstat -w 5
Linux 3.10.0-1127.el7.x86_64 (172-16-104-112) 2021年12月17日 _x86_64_ (8 CPU)
09时57分06秒 UID PID cswch/s nvcswch/s Command
09时57分11秒 0 9 6.56 0.00 rcu_sched
09时57分11秒 0 11 0.20 0.00 watchdog/0
其中：
* cswch：表示每秒自愿上下文切换（voluntary context switches）的次数
* nvcswch：表示每秒非自愿上下文切换（non voluntary context switches）的次数。
注：
* 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。
2、案例分析
1）sysbench
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
2）操作分析
a、以2000个线程运行5分钟的基准测试，模拟多线程切换的问题
[root@172-16-104-112 ~]# sysbench --threads=2000 --max-time=300 threads run
b、vmstat：观察上下文切换情况
# 每隔1秒输出1组数据（需要Ctrl+C才结束）
[root@172-16-104-112 ~]# 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
15 0 0 15199916 2252 663536 0 0 0 27 1 2 0 0 100 0 0
19 0 0 15199824 2252 663536 0 0 0 0 162385 2560976 25 57 18 0 0
13 0 0 15199576 2252 663536 0 0 0 0 166912 2648662 25 57 18 0 0
15 0 0 15199576 2252 663536 0 0 0 0 175238 2599956 25 56 18 0 0
分析：
cs 列：是每秒上下文切换的次数达到250万+；
in 列：中断次数也上升到了 16 万+，说明中断处理也是个潜在的问题
r 列：就绪队列的长度已经到了 15哥左右，远远超过了系统 CPU 的个数 8，所以肯定会有大量的 CPU 竞争。
c、pidstat：观察CPU 和进程上下文切换的情况
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。
# 每隔1秒输出1组数据（需要 Ctrl+C 才结束）
# -w参数表示输出进程切换指标，而-u参数则表示输出CPU使用指标
[root@172-16-104-112 ~]# pidstat -w -u 1
Linux 3.10.0-1127.el7.x86_64 (172-16-104-112) 2021年12月18日 _x86_64_ (8 CPU)
00时38分19秒 UID PID %usr %system %guest %CPU CPU Command
00时38分20秒 0 59748 100.00 100.00 0.00 100.00 0 sysbench
00时38分19秒 UID PID cswch/s nvcswch/s Command
00时38分20秒 0 1 1.00 0.00 systemd
00时38分20秒 0 6 8.00 0.00 ksoftirqd/0
00时38分20秒 0 9 27.00 0.00 rcu_sched
00时38分20秒 0 11 1.00 0.00 watchdog/0
00时38分20秒 0 12 1.00 0.00 watchdog/1
00时38分20秒 0 14 4.00 0.00 ksoftirqd/1
00时38分20秒 0 17 1.00 0.00 watchdog/2
00时38分20秒 0 19 2.00 0.00 ksoftirqd/2
00时38分20秒 0 22 1.00 0.00 watchdog/3
00时38分20秒 0 27 1.00 0.00 watchdog/4
00时38分20秒 0 29 3.00 0.00 ksoftirqd/4
00时38分20秒 0 32 1.00 0.00 watchdog/5
00时38分20秒 0 37 1.00 0.00 watchdog/6
00时38分20秒 0 42 1.00 0.00 watchdog/7
00时38分20秒 0 744 1.00 0.00 irqbalance
00时38分20秒 0 1109 1.00 0.00 rsyslogd
00时38分20秒 0 16311 1.00 0.00 kworker/3:2
00时38分20秒 0 16347 2.00 0.00 kworker/4:0
00时38分20秒 0 17558 1.00 0.00 kworker/6:1
00时38分20秒 0 55397 5.00 0.00 kworker/0:0
00时38分20秒 0 55594 12.00 0.00 sshd
00时38分20秒 0 57397 118.00 0.00 kworker/4:1
00时38分20秒 0 61752 1.00 118.00 pidstat
分析：
CPU 使用率的升高果然是 sysbench 导致的，它的 CPU 使用率已经达到了 100%。但上下文切换则是来自其他进程，包括非自愿上下文切换频率最高的 pidstat ，以及自愿上下文切换频率最高的内核线程 kworker 和 sshd。
# 每隔1秒输出一组数据（需要 Ctrl+C 才结束）
# -wt 参数表示输出线程的上下文切换指标
[root@172-16-104-112 ~]# pidstat -wt 1
Linux 3.10.0-1127.el7.x86_64 (172-16-104-112) 2021年12月18日 _x86_64_ (8 CPU)
平均时间: UID TGID TID cswch/s nvcswch/s Command
平均时间: 0 - 59583 313.56 1028.33 |__sysbench
平均时间: 0 - 59584 399.27 1230.51 |__sysbench
平均时间: 0 - 59585 305.57 662.71 |__sysbench
平均时间: 0 - 59586 329.06 1012.11 |__sysbench
平均时间: 0 - 59587 362.71 1307.26 |__sysbench
平均时间: 0 - 59588 370.94 696.13 |__sysbench
平均时间: 0 - 59589 238.26 440.44 |__sysbench
平均时间: 0 - 59590 252.54 619.61 |__sysbench
平均时间: 0 - 59591 262.23 582.57 |__sysbench
平均时间: 0 - 59592 358.11 1153.27 |__sysbench
平均时间: 0 - 59593 417.68 1093.46 |__sysbench
平均时间: 0 - 59594 364.16 1126.39 |__sysbench
分析：
上下文切换罪魁祸首，还是过多的 sysbench 线程。
3、小总
a、这个数值其实取决于系统本身的 CPU 性能。如果系统的上下文切换次数比较稳定，那么从数百到一万以内，都应该算是正常的。但当上下文切换次数超过一万次，或者切换次数出现数量级的增长时，就很可能已经出现了性能问题。
b、上下文切换的类型
* 自愿上下文切换变多了，说明进程都在等待资源，有可能发生了 I/O 等其他问题；
* 非自愿上下文切换变多了，说明进程都在被强制调度，也就是都在争抢 CPU，说明 CPU 的确成了瓶颈；
* 中断次数变多了，说明 CPU 被中断处理程序占用，还需要通过查看 /proc/interrupts 文件来分析具体的中断类型。
