一、CPU 上下文是什么
我们都知道，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。
所以 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 上下文切换主要有以下三种类型：
进程上下文切换
线程上下文切换
中断上下文切换
二、进程上下文切换
1）系统调用
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。
换个角度看，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，并调用 write() 将内容写到标准输出，最后再调用 close() 关闭文件。
系统调用的过程会产生两次 CPU 上下文的切换，具体执行步骤如下：
保存 CPU 寄存器里原来用户态的指令位置
CPU 寄存器更新为内核态指令的新位置
跳转到内核态运行内核任务
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。
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
而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。
2）进程上下文切换跟系统调用的区别
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。而保存上下文和恢复上下文的过程并不是直接完成的，需要内核在 CPU 上运行才能完成，如下图所示：
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。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。
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。
3）什么时候会切换进程上下文
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。
进程被调度到 CPU 上运行的场景主要有以下几种：
CPU 时间耗尽：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，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。
资源不足：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。
主动挂起：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。
高优进程插队：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。
硬件中断：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。
三、线程上下文切换
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。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。
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：
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。
前后两个线程属于同一进程：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。
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。
四、中断上下文切换
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。但是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。
五、查看系统的上下文切换情况
1）vmstat
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。
使用示例：
# 每隔5秒输出1组数据
$ 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
0 0 0 9901764 379792 28406248 0 0 8 164 2 2 10 3 88 0 0关注对象：
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。
从上可以看出，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 164 次，而就绪队列长度 r 和不可中断状态进程数 b 都是 0。
2）pidstat
mstat 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。
使用示例：
# 每隔5秒输出1组数据
$ pidstat -w 5
Linux 3.10.0-1160.88.1.el7.x86_64 (hybrid01) 05/03/2024 _x86_64_ (8 CPU)
04:36:40 PM UID PID cswch/s nvcswch/s Command
04:36:45 PM 0 1 61.48 0.00 systemd
04:36:45 PM 0 6 6.19 0.00 ksoftirqd/0
04:36:45 PM 0 7 1.80 0.00 migration/0
04:36:45 PM 0 9 282.04 0.00 rcu_sched
......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。
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。
六、案例分析
带着问题分析：上下文切换频率是多少次才算正常呢
1）准备工具
机器配置：腾讯云轻量 2C 4G，操作系统 CentOS Linux release 7.6.1810 (Core)
预装包：sysbench 和 sysstat
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。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。
记录空闲系统的上下文切换次数：
# 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
1 0 0 1403852 212272 1863208 0 0 0 4 4 8 0 0 100 0 0这里我们可以看到，现在的上下文切换次数 cs 是 8，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。
2）操作分析
在第一个终端里运行 sysbench ，模拟系统多线程调度的瓶颈：
# 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在第二个终端运行 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）
$ 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 1405320 212272 1863704 0 0 0 4 4 0 0 0 100 0 0
7 0 0 1405296 212272 1863704 0 0 0 0 2023 1431295 26 74 0 0 0
7 0 0 1405296 212272 1863704 0 0 0 0 2027 1461208 27 74 0 0 0
6 0 0 1405296 212272 1863704 0 0 0 32 2019 1464823 26 74 0 0 0
9 0 0 1404280 212272 1863704 0 0 0 0 2006 1452529 25 75 0 0 0你应该可以发现，cs 列的上下文切换次数从之前的 0 骤然上升到了 143 万。同时，注意观察其他几个指标：
r 列：就绪队列的长度已经到了 7，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 74%，说明 CPU 主要是被内核占用了。
in 列：中断次数也上升到了 2 千次左右，说明中断处理也是个潜在的问题。
综合这几个指标，我们可以知道，系统的就绪队列过长，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。
我们继续分析那么到底是什么进程导致了这些问题。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：
# 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
$ pidstat -w -u 1
Average: UID PID %usr %system %guest %CPU CPU Command
Average: 0 20088 0.00 0.33 0.00 0.33 - watch
Average: 0 23590 49.83 149.17 0.00 199.00 - sysbench
Average: 0 23682 0.00 0.33 0.00 0.33 - pidstat
Average: UID PID cswch/s nvcswch/s Command
Average: 0 6 1.00 0.00 ksoftirqd/0
Average: 0 9 21.93 0.00 rcu_sched
Average: 0 11 0.33 0.00 watchdog/0
Average: 0 12 0.33 0.00 watchdog/1
Average: 0 37 0.33 0.00 khugepaged
Average: 0 278 0.33 0.00 kworker/1:1H
Average: 0 293 0.66 0.00 kworker/0:1H
Average: 0 294 0.66 0.00 jbd2/vda1-8
Average: 998 658 0.33 0.00 lsmd
Average: 0 5800 2.33 0.00 kworker/0:0
Average: 1000 10062 1.00 0.00 node
Average: 1000 10081 4.98 0.00 node
Average: 0 19700 0.33 0.00 sshd
Average: 0 20088 1.00 0.00 watch
Average: 0 20415 1.00 0.00 sshd
Average: 0 22594 2.99 0.00 kworker/1:3
Average: 0 23682 1.00 0.00 pidstat
Average: 0 24834 0.33 0.00 kworker/u4:1
Average: 0 25381 1.99 0.00 tat_agent
Average: 0 28212 0.33 0.00 kworker/1:0从 pidstat 的输出你可以发现，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 198%。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 tat_agent。
不过，很明显出了一个怪异的事儿：pidstat 输出的上下文切换次数，加起来也就几十，比 vmstat 的 139 万明显小了太多。回想一下，前面讲到的几种上下文切换场景。其中有一点提到， Linux 调度的基本单位实际上是线程，而我们的场景 sysbench 模拟的也是线程的调度问题，那么，是不是 pidstat 忽略了线程的数据呢？
实际上 pidstat 默认显示进程的指标数据，加上 -t 参数后，才会输出线程的指标。
# 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
$ pidstat -wt 1
05:54:27 PM UID TGID TID cswch/s nvcswch/s Command
05:54:28 PM 0 6 - 2.00 0.00 ksoftirqd/0
05:54:28 PM 0 - 6 2.00 0.00 |__ksoftirqd/0
05:54:28 PM 0 9 - 26.00 0.00 rcu_sched
05:54:28 PM 0 - 9 26.00 0.00 |__rcu_sched
05:54:28 PM 0 11 - 1.00 0.00 watchdog/0
05:54:28 PM 0 - 11 1.00 0.00 |__watchdog/0
05:54:28 PM 0 12 - 1.00 0.00 watchdog/1
05:54:28 PM 0 - 12 1.00 0.00 |__watchdog/1
05:54:28 PM 0 - 1362 1.00 0.00 |__tuned
05:54:28 PM 0 - 1231 1.00 0.00 |__in:imjournal
05:54:28 PM 38 1925 - 2.00 0.00 ntpd
05:54:28 PM 38 - 1925 2.00 0.00 |__ntpd
05:54:28 PM 0 5800 - 229.00 0.00 kworker/0:0
05:54:28 PM 0 - 5800 229.00 0.00 |__kworker/0:0
05:54:28 PM 1000 10062 - 1.00 0.00 node
05:54:28 PM 1000 - 10062 1.00 0.00 |__node
05:54:28 PM 1000 10081 - 5.00 0.00 node
05:54:28 PM 1000 - 10081 5.00 0.00 |__node
05:54:28 PM 0 20415 - 62.00 0.00 sshd
05:54:28 PM 0 - 20415 62.00 0.00 |__sshd
05:54:28 PM 0 22594 - 4.00 0.00 kworker/1:3
05:54:28 PM 0 - 22594 4.00 0.00 |__kworker/1:3
05:54:28 PM 0 - 23591 24712.00 127023.00 |__sysbench
05:54:28 PM 0 - 23592 40144.00 99355.00 |__sysbench
05:54:28 PM 0 - 23593 38779.00 104350.00 |__sysbench
05:54:28 PM 0 - 23594 10716.00 149371.00 |__sysbench
05:54:28 PM 0 - 23595 16898.00 130105.00 |__sysbench
05:54:28 PM 0 - 23596 37991.00 106829.00 |__sysbench
05:54:28 PM 0 - 23597 29511.00 106604.00 |__sysbench
05:54:28 PM 0 - 23598 29610.00 119620.00 |__sysbench
05:54:28 PM 0 - 23599 25456.00 119536.00 |__sysbench
05:54:28 PM 0 - 23600 25484.00 129585.00 |__sysbench
05:54:28 PM 0 23627 - 1.00 229.00 pidstat
05:54:28 PM 0 - 23627 1.00 229.00 |__pidstat
05:54:28 PM 0 25381 - 2.00 0.00 tat_agent
05:54:28 PM 0 - 25381 2.00 0.00 |__tat_agent
05:54:28 PM 0 - 25386 1.00 0.00 |__tat_agent
05:54:28 PM 0 28212 - 1.00 0.00 kworker/1:0
05:54:28 PM 0 - 28212 1.00 0.00 |__kworker/1:0现在就能看到了虽然 sysbench 进程（也就是主线程）的上下文切换次数看起来并不多，但它的子线程的上下文切换次数却有很多。
前面在观察系统指标时，除了上下文切换频率骤然升高，中断次数也上升到了 1 万，但到底是什么类型的中断上升了，现在还不清楚。我们接下来继续抽丝剥茧找源头。既然是中断，我们都知道，它只发生在内核态，而 pidstat 只是一个进程的性能分析工具，并不提供任何关于中断的详细信息。
中断详情文件：/proc/interrupts。/proc 实际上是 Linux 的一个虚拟文件系统，用于内核空间与用户空间之间的通信。/proc/interrupts 就是这种通信机制的一部分，提供了一个只读的中断使用情况。
# -d 参数表示高亮显示变化的区域
$ watch -d cat /proc/interrupts
Every 2.0s: cat /proc/interrupts Fri May 3 17:05:11 2024
CPU0 CPU1
0: 100 0 IO-APIC-edge timer
1: 10 0 IO-APIC-edge i8042
4: 471 0 IO-APIC-edge serial
6: 3 0 IO-APIC-edge floppy
8: 0 0 IO-APIC-edge rtc0
9: 0 0 IO-APIC-fasteoi acpi
11: 0 0 IO-APIC-fasteoi uhci_hcd:usb1, virtio2
12: 15 0 IO-APIC-edge i8042
14: 2279374 0 IO-APIC-edge ata_piix
15: 0 0 IO-APIC-edge ata_piix
24: 0 0 PCI-MSI-edge virtio1-config
25: 1474117 0 PCI-MSI-edge virtio1-req.0
26: 0 0 PCI-MSI-edge virtio0-config
27: 1542879 0 PCI-MSI-edge virtio0-input.0
28: 1 0 PCI-MSI-edge virtio0-output.0
29: 1 1711750 PCI-MSI-edge virtio0-input.1
30: 1 0 PCI-MSI-edge virtio0-output.1
NMI: 0 0 Non-maskable interrupts
LOC: 62145149 56594961 Local timer interrupts
SPU: 0 0 Spurious interrupts
PMI: 0 0 Performance monitoring interrupts
IWI: 8085614 5693048 IRQ work interrupts
RTR: 0 0 APIC ICR read retries
RES: 3656109 4456290 Rescheduling interrupts
CAL: 371 425 Function call interrupts
TLB: 138213 124131 TLB shootdowns
TRM: 0 0 Thermal event interrupts
THR: 0 0 Threshold APIC interrupts
DFR: 0 0 Deferred Error APIC interrupts
MCE: 0 0 Machine check exceptions
MCP: 7777 7777 Machine check polls
ERR: 0
MIS: 0
PIN: 0 0 Posted-interrupt notification event观察一段时间后，不难看出变化速度最快的是重调度中断（RES），这个中断类型表示，唤醒空闲状态的 CPU 来调度新的任务运行。这是多处理器系统（SMP）中，调度器用来分散任务到不同 CPU 的机制，通常也被称为处理器间中断（Inter-Processor Interrupts，IPI）。
所以，这里的中断升高还是因为过多任务的调度问题，跟前面上下文切换次数的分析结果是一致的。
回到开头的问题：每秒上下文切换多少次才算正常呢？
这个数值其实取决于系统本身的 CPU 性能。在我看来，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。
这时，你需要根据上下文切换的类型，再做具体分析。比方说：
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。
小结：
1）上下文切换：
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。
2）分析思路：
vmstat 观察 cs、r、us、in
ipstat 观察 cswch
watch -d /proc/interrupts 观察中断使用详情