究竟什么是上下文切换？

我们经常听到上下文切换这个词语，但是究竟什么是上下文切换呢？

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概念

Linux是一个多任务的操作系统，可以同时多个任务并发执行，任务数超过CPU核心数。当然同一时刻在执行的任务数，最多也就只能是CPU核心数，只不过CPU时间片在多个任务之间来回切换罢了。上下文切换就是为了保存任务切换时刻的基本信息，当CPU重新执行任务的时候可以加载上下文信息，从当时退出的位置、状态重新开始执行任务。这里所说的上下文信息，既包括虚拟内存、栈、全局变量等用户态的资源，也包括内核堆栈、寄存器等内核态的资源。

上下文包含什么信息

一个进程的信息包含很多，可以理解为几个方面：CPU-状态信息、I/O状态信息、父子进程信息等：

· 进程状态：如就绪、运行、阻塞等，表示进程当前的执行状态。

· 程序计数器（PC）：记录进程下一条指令的地址。

· 寄存器内容：包括通用寄存器、特殊寄存器等，保存进程切换时的 CPU 状态。

· 内存管理信息：如页面表、段表、内存限制等，用于管理进程的内存分配。

· 调度信息：如进程优先级、调度队列中的位置等，用于进程调度。

· I/O 状态信息：记录进程当前所使用的 I/O 设备、文件描述符等。

· 进程标识符（PID）：唯一标识进程的 ID。

· 父进程和子进程信息：包括父进程 PID、子进程链表等。

· 时间信息：如进程的启动时间、CPU 时间片消耗等。

这些信息在内核中是通过结构体存储的，即PCB（Process Control Block）进程控制块，下图只是示意，不包含所有内容，在进程让出CPU的时候，这些上下文信息会保存到内核中，当下次执行的时候再从内核中加载回来。

在Linux源码中是通过结构体task_struct来存储的：

上下文切换的类型

· 进程上下文切换：最经常听到上下文切换，多个进程并发，很好理解。

· 线程上下文切换：包含了同一个进程内的和不同进程内的，不同进程内的消耗等同于进程上下文切换。

· 中断上下文切换：因为外设控制器执行速度通常慢于CPU，比如打印一个数据这个时候需要内核调用显示设备，很慢怎么办呢？这个是时候就会触发中断，让CPU先干别的进程，等打印完成了再回来。

分析工具

vmstat：查看整个系统的上下文切换情况

· 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。

· 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。