CPU寄存器，與程序計數器（存儲CPU正在執行的指令位置，或者即將執行的下一條指令的位置）共同組成CPU上下文。

CPU上下文切換指的是：把前一個任務的CPU上下文保存起來，然后加載新任務的上下文到這些寄存器和程序計數器上，最后再跳轉到程序計數器所指的新位置，運行新的任務。被保存下來的上下文會存儲在系統內核中，等任務重新調度執行時再次加載進來。

根據任務的不同，CPU的上下文切換可以分為幾個不同場景（進程上下文切換、線程上下文切換、中斷上下文切換）

進程上下文切換

系統調用：

已知進程運行空間分為內核空間和用戶空間。內核空間可以訪問所有資源，用戶空間只能訪問受限資源，不能訪問內存等硬件設備。

從用戶態到內核態的轉變需要通過系統調用來完成。如open、read、write、close等對于文件的操作都屬于系統調用。

系統調用的過程中會發生CPU上下文切換，先切換到內核態，執行內核態代碼，再跳轉回用戶態代碼。所以一次系統調用會發生兩次CPU上下文切換，又稱特權模式切換，不過仍然是同一個進程在運行。

進程上下文切換性能問題：

進程由內核管理和調度，進程的切換只能發生在內核態，進程上下文不僅包括虛擬內存、棧、全局變量等用戶空間資源，還包括內核堆棧、寄存器等內核空間狀態。每次進程上下文切換需要幾十納秒到數微秒的CPU時間。

并且Linux通過TLB來管理虛擬內存到物理內存之間的映射，當虛擬內存更新后，TLB也需要刷新，內存的訪問也會隨之變慢。特別在多處理器系統上，緩存被多個處理器共享，刷新緩存不僅會影響當前處理器的進程，還會影響共享緩存的其他處理器的進程。

進程上下文切換發生的時機：

在進程調度的時候，需要進行切換上下文。Linux為每個CPU維護一個就緒隊列，將活躍進程（正在運行和正在等待CPU的進程）

按照優先級和等待CPU的時間來排序，然后選擇最需要CPU的進程運行。（優先級高和等待時間長的進程）

1、CPU時間被劃分為一段段時間片，當某個進程的時間片耗盡，就會被系統掛起，切換到其他正在等待的進程

2、進程在系統資源不足時，要等到資源滿足后才可以運行，此時這個進程也會被掛起，CPU讓給其他進程

3、進程通過sleep睡眠函數主動掛起，CPU讓給其他進程

4、當有優先級更高的進程運行，當前進程會被掛起

5、發生硬件中斷，CPU進程會被中斷掛起，執行內核中的中斷服務程序

進程上下文切換

線程是調度的基本單位，而進程是資源擁有的基本單位。當進程中只有一個線程時，可以認為進程就等于線程。

當進程擁有多個線程時，這些線程會共享相同的虛擬內存和全局變量等資源。

線程主要就是私有數據、棧和寄存器等資源。

線程上下文切換分為兩種情況：

1、兩個線程屬于不同線程，資源不共享，所以等同于進程上下文切換

2、兩個線程屬于同一個進程，只需要切換私有數據、寄存器等不共享的數據

中斷上下文切換

與系統調用不同，中斷上下文切換不涉及進程的用戶態。所以中斷過程打斷了一個正處于用戶態的進程，也不需要保存和恢復這個進程的虛擬內存、全局變量等用戶資源。它只包括內核態中斷服務程序執行所必須的狀態：CPU寄存器、內核堆棧、硬件中斷參數

總結

以上是生活随笔為你收集整理的CPU上下文切换（系统调用、进程上下文、线程上下文、中断上下文）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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