CPU 上下文切換是什么
CPU 上下文切換，就是先把前一個任務的 CPU 上下文（也就是 CPU 寄存器和程序計數器）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，最后再跳轉到程序計數器所指的新位置，運行新任務。
CPU上下文的分類
CPU 上下文切換根據任務的不同，可以分為以下三種類型 ： 進程上下文切換 - 線程上下文切換 - 中斷上下文切換
引起上下文切換的原因有哪些？
對於搶占式操作系統而言， 大體有幾種：
1、當前任務的時間片用完之后，系統CPU正常調度下一個任務；
2、當前任務碰到IO阻塞，調度線程將掛起此任務，繼續下一個任務；
3、多個任務搶占鎖資源，當前任務沒有搶到，被調度器掛起，繼續下一個任務；
4、用戶代碼(yield()方法)掛起當前任務，讓出CPU時間；
5、硬件中斷；
進程上下文切換
引起進程上下文切換的原因：
- 進程時間片耗盡；
- 系統資源不足（如內存不足）；
- 進程通過睡眠函數 sleep 把自己掛起來；
- 當有優先級更高的進程運行時，為了去運行高優先級進程，當前進程會被掛起；
- 發生硬中斷，CPU 上的進程會被掛起，然后去執行內核中的中斷服務進程。
Linux 按照特權等級，把進程的運行空間分為內核空間和用戶空間，CPU 特權等級的 Ring 0 和 Ring 3。
內核空間（Ring 0)）具有最高權限，可以直接訪問所有資源; 用戶空間（Ring 3）只能訪問受限資源，不能直接訪問內存等硬件設備，必須通過系統 調用陷入到內核中，才能訪問這些特權資源。
進程既可以在用戶空間運行，又可以在內核空間中運行。進程在用戶空間運行時，被稱為進程的用戶態，而陷入內核空間的時候，被稱為進程的內核態。
從用戶態到內核態的轉變，需要通過 系統調用 來完成。比如，當我們查看文件內容時，就需要多次系統調用來完成:首先調用 open() 打開文件，然后調用 read() 讀取文件內容，並調用 write() 將內容寫到標准輸出，最后再調用 close() 關閉文件。
系統調用的過程也會發生 CPU 上下文的切換
CPU 寄存器里原來用戶態的指令位置，需要先保存起來。接着，為了執行內核態代碼，CPU 寄存器需要更新為內核態指令的新位置。最后才是跳轉到內核態運行內核任務。
而系統調用結束后，CPU 寄存器需要恢復原來保存的用戶態，然后再切換到用戶空間，繼續運行進程。所以， 一次系統調用的過程，其實是發生了兩次 CPU 上下文切換。
需要注意的是，系統調用過程中，並不會涉及到虛擬內存等進程用戶態的資源，也 不會切換進程。這跟我們通常所說的進程上下文切換是不一樣的： 進程上下文切換，是指從一個進程切換到另一個進程運行。而系統調用過程中一直是同一個進程在運行 。所以，系統調用過程通常稱為特權模式切換，而不是上下文切換。但實際上，系統調用過程中，CPU 的上下文切換還是無法避免的。
進程在什么時候才會被調度到 CPU 上運行
最容易想到的一個時機，就是進程執行完終止了，它之前使用的 CPU 會釋放出來，這個時候再從就緒隊列里，拿一個新的進程過來運行。其實還有很多其他場景，也會觸發進程調度。
其一，為了保證所有進程可以得到公平調度，CPU 時間被划分為一段段的時間片，這些時間片再被輪流分配給各個進程。這樣，當某個進程的時間片耗盡了，就會被系統掛起，切換到其它正在等待 CPU 的進程運行。
其二，進程在系統資源不足（比如內存不足）時，要等到資源滿足后才可以運行，這個時 候進程也會被掛起，並由系統調度其他進程運行。
其三，當進程通過睡眠函數 sleep 這樣的方法將自己主動掛起時，自然也會重新調度。
其四，當有優先級更高的進程運行時，為了保證高優先級進程的運行，當前進程會被掛 起，由高優先級進程來運行。
最后一個，發生硬件中斷時，CPU 上的進程會被中斷掛起，轉而執行內核中的中斷服務程序。
了解這幾個場景是非常有必要的，因為一旦出現上下文切換的性能問題，它們就是幕后凶 手。
線程上下文切換
引起線程上下文切換的原因如下
線程與進程最大的區別在於，線程是調度的基本單位，而進程則是資源擁有的基本單位。說白了，所謂內核中的任務調度，實際上的調度對象是線程;而進程只是給線程提供了虛擬內存、全局變量等資源。
所以，對於線程和進程，我們可以這么理解：當進程只有一個線程時，可以認為進程就等於線程。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。這些資源在上下文切換時是不需要修改的。另外，線程也有自己的私有數據，比如棧和寄存器等，這些在上下文換時也是需要保存的。
線程的上下文切換其實就可以分為兩種情況：
第一種， 前后兩個線程屬於不同進程。此時，因為資源不共享，所以切換過程就跟進程上下文切換是一樣。
第二種，前后兩個線程屬於同一個進程。此時，因為虛擬內存是共享的，所以在切換時， 虛擬內存這些資源就保持不動，只需要切換線程的私有數據、寄存器等不共享的數據。
雖然同為上下文切換，但同進程內的線程切換，要比多進程間的切換消耗更少的資源，而這，也正是多線程代替多進程的一個優勢。
中斷上下文切換
這邊中斷更多的是硬件設備的發生的中斷，如鼠標 單擊，鍵盤按壓等，叫硬中斷。
為了快速響應硬件的事件，中斷處理會打斷進程的正常調度和執行，轉而調用中斷處理程序，響應設備事件。而在打斷其他進程時，就需要將進程當前的狀態保存下來，這樣在中斷結束后，進程仍然可以從原來的狀態恢復運行。
跟進程上下文不同，中斷上下文切換並不涉及到進程的用戶態。所以，即便中斷過程打斷了一個正處在用戶態的進程，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 態資源。中斷上下文，其實只包括內核態中斷服務程序執行所必需的狀態，包括 CPU 寄存器、內核堆棧、硬件中斷參數等。
對同一個 CPU 來說，中斷處理比進程擁有更高的優先級，所以中斷上下文切換並不會與進程上下文切換同時發生。同樣道理，由於中斷會打斷正常進程的調度和執行，所以大部分中斷處理程序都短小精悍，以便盡可能快的執行結束。