概念讲解：上下文切换
多任务操作系统，并不是真的在同时运行，而是操作系统在短时间内轮流执行任务，造成多任务同时运行的错觉。
什么是上下文？
而在每个任务切换前，操作系统需要保存当前任务的状态，并设置下个任务的运行环境：CPU Registers, Program Counter
Program Counter：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。
什么是上下文切换？
就是先把前个任务的 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。
上下文切换的种类
特权模式切换（系统调用）
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：
1）内核空间，Ring 0
2）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。通过系统调用来完成。
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。
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。
进程上下文切换
进程上下文切换，是指从一个进程切换到另一个进程运行。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。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。
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。
发生进程上下文切换的时机为“在进程调度的时候，才需要切换上下文”：
1）进程的 CPU 时间片耗尽，就会被系统挂起，切换到其它正在等待 CPU 的进程运行
2）进程在系统资源不足，要等到资源满足后才可以运行，进程也会被挂起
3）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
4）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
5）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。
线程上下文切换
进程是资源拥有的基本单位，线程是调度的基本单位。所谓内核中的任务调度，实际上的调度对象是线程；进程只是给线程提供虚拟内存、全局变量等资源。
对于线程和进程，我们可以这么理解：
1）当进程只有一个线程时，可以认为进程就等于线程
2）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。这些资源在线程上下文切换时是不需要修改的
3）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
线程的上下文切换其实就可以分为两种情况：
1）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。
2）前后两个线程属于同个进程。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
到这里你应该也发现了，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
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。这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。
中断上下文切换并不涉及到进程的用户态。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。
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。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
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。
上下文切换带来的问题
系统的负载升高
多个进程竞争 CPU 资源，会发生频繁的上下文切换，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，引发平均负载升高。
查询系统上下文切换情况
vmstat（整体）
# vmstat -w 5 // 每隔 5 秒输出 1 组数据 procs -----------------------memory---------------------- ---swap-- -----io---- -system-- --------cpu-------- r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st 2 0 0 2454308 109016 4450724 0 0 0 4 3 1 4 1 95 0 0 0 0 0 2454528 109016 4450724 0 0 0 0 252 380 0 0 100 0 0 0 0 0 2454576 109016 4450592 0 0 0 0 83 155 0 0 100 0 0 0 0 0 2454268 109016 4450728 0 0 0 0 249 385 0 0 100 0 0
需要重点关注的输出列：
cs（context switch） 每秒上下文切换的次数；
in（interrupt） 每秒中断的次数；
r（Running or Runnable） 就绪队列的长度，也就是正在运行和等待 CPU 的进程数；
b（Blocked） 处于不可中断睡眠状态的进程数；
pidstat（进程）
# pidstat -w 5 // 每隔 5 秒输出 1 组数据 11:45:19 AM UID PID cswch/s nvcswch/s Command 11:45:24 AM 0 1 29.20 0.00 systemd 11:45:24 AM 0 9 4.20 0.00 ksoftirqd/0 11:45:24 AM 0 10 58.20 0.00 rcu_sched 11:45:24 AM 0 12 1.20 0.00 migration/0 11:45:24 AM 0 16 0.80 0.00 migration/1 11:45:24 AM 0 17 1.60 0.00 ksoftirqd/1 11:45:24 AM 0 21 0.60 0.00 migration/2 11:45:24 AM 0 22 1.20 0.00 ksoftirqd/2 11:45:24 AM 0 26 0.20 0.00 migration/3 11:45:24 AM 0 27 1.20 0.00 ksoftirqd/3 11:45:24 AM 0 200 16.40 0.00 i915/signal:0 11:45:24 AM 0 212 4.80 0.00 kworker/0:1H-kblockd
需要重点关注的输出列：
cswch/s，voluntary context switches，每秒自愿上下文切换的次数：指进程无法获取所需资源，导致的上下文切换（比如 I/O、内存等系统资源不足时）
nvcswch/s，non voluntary context switches，每秒非自愿上下文切换次数：指进程时间片耗尽等原因，被系统强制调度，进而发生的上下文切换（比如 进程间都在争抢 CPU 资源时）
系统每秒上下文切换次数的正常范围
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 都算正常。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。
1）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；
2）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；
3）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；
问题排查：有多线程切换引起的负载（上下文切换）
第一步、配置环境，制造负载
# vmstat -w 1 // 查看系统当前上下文切换情况 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 2425368 117064 4461460 0 0 0 4 4 3 3 1 96 0 0 0 0 0 2425368 117064 4461460 0 0 0 0 84 162 0 0 100 0 0 0 0 0 2425508 117064 4461588 0 0 0 0 100 188 0 0 100 0 0 0 0 0 2425588 117064 4461592 0 0 0 0 80 163 0 0 100 0 0 0 0 0 2425840 117064 4461460 0 0 0 0 85 179 0 0 100 0 0 # sysbench --threads=10 --max-time=300 threads run // 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 # vmstat -w 1 procs -----------------------memory---------------------- ---swap-- -----io---- -system-- --------cpu-------- r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st 9 0 0 2383856 121292 4479996 0 0 0 4 4 1 3 1 96 0 0 6 0 0 2383848 121292 4480124 0 0 0 0 19913 294716 76 18 7 0 0 7 0 0 2383848 121292 4480128 0 0 0 0 21803 271198 72 19 9 0 0 6 0 0 2383848 121292 4479996 0 0 0 0 17968 265956 72 20 8 0 0 8 0 0 2383848 121292 4479996 0 0 0 0 16908 263770 71 16 12 0 0 6 0 0 2383596 121292 4480120 0 0 0 0 21360 294804 72 20 8 0 0 9 0 0 2383596 121292 4480128 0 0 0 0 22703 291403 74 20 6 0 0 // 这时候会发现 r / cs / in / us / sy 突然升高 // 第一行数据是系统启动以来的平均值，其他行才是你在运行 vmstat 命令时，设置的间隔时间的平均值 // 从这里可以看出：由于系统运行状态进程过多导致上下文切换而引发负载升高
第二步、定位问题进程
# pidstat -wt 1 // -w t 参数表示输出线程的上下文切换指标 ... 11:29:56 PM 0 1857488 - 5.00 0.00 kworker/1:2-events 11:29:56 PM 0 - 1857488 5.00 0.00 |__kworker/1:2-events 11:29:56 PM 0 1857512 - 1.00 0.00 vmstat 11:29:56 PM 0 - 1857512 1.00 0.00 |__vmstat 11:29:56 PM 0 - 1857525 7787.00 20798.00 |__sysbench 11:29:56 PM 0 - 1857526 7471.00 18170.00 |__sysbench 11:29:56 PM 0 - 1857527 6833.00 22963.00 |__sysbench 11:29:56 PM 0 - 1857528 7288.00 20382.00 |__sysbench 11:29:56 PM 0 - 1857529 7479.00 16564.00 |__sysbench 11:29:56 PM 0 - 1857530 6834.00 22413.00 |__sysbench 11:29:56 PM 0 - 1857531 4802.00 27515.00 |__sysbench 11:29:56 PM 0 - 1857532 6704.00 16661.00 |__sysbench 11:29:56 PM 0 - 1857533 7214.00 18934.00 |__sysbench 11:29:56 PM 0 - 1857534 8202.00 17705.00 |__sysbench 11:29:56 PM 0 1857536 - 1.00 14.00 pidstat 11:29:56 PM 0 - 1857536 1.00 14.00 |__pidstat ... // 从这里可以看出是 sysbench 引发上下文切换 // 但是中断次数也增多了，我们还需要定位中断次数变多的原因 # watch -d 'cat /proc/interrupts | grep -v -E "\s+0\s+0\s+"' // -d 参数表示高亮显示变化的区域 // grep 用于过滤掉那些显示为 0 的中断 ... RES: 14755698 12291085 12150176 11544403 Rescheduling interrupts ... // 这里可以明显看出是 Rescheduling interrupts 在增加，重调度中断（RES） // 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）。 // 这个中断在单核（只有一个逻辑 CPU）的机器上当然就没有意义了，因为压根儿就不会发生重调度的情况。
参考文献
Context switch – Wikipedia
03 | 基础篇：经常说的 CPU 上下文切换是什么意思？（上）