什么是CPU上下文切换
CPU寄存器，程序计数器，这些CPU在运行任何任务前，都必须的依赖环境被叫做CPU上下文。根据任务的不同，CPU的上下文切换，可以分为不同的场景，也就是进程上下文切换，线程上下文切换，中断上下文切换。
当切换任务的时候，需要记录任务当前的状态和获取下一任务的信息和地址(指针)，这就是上下文的内容。因此，上下文是指某一时间点CPU寄存器(CPU register)和程序计数器(PC)的内容, 广义上还包括内存中进程的虚拟地址映射信息.
上下文切换的过程
(1)记录当前任务的上下文(即寄存器和计算器等所有的状态)；
(2)找到新任务的上下文并加载；
(3)切换到新任务的程序计算器位置，恢复其任务。
根据不同任务区分三种上下文切换
根据任务的执行形式，相应的下上文切换，有进程上下文切换、线程上下文切换、以及中断上下文切换三类。
进程和线程的区别：
进程是资源分配和执行的基本单位；线程是任务调度和运行的基本单位。线程没有资源，进程给指针提供虚拟内存、栈、变量等共享资源，而线程可以共享进程的资源。
进程上下文切换：是指从一个进程切换到另一个进程。
- 进程运行态为内核运行态和进程运行态。内核空间态资源包括内核的堆栈、寄存器等；用户空间态资源包括虚拟内存、栈、变量、正文、数据等
- 系统调用(软中断)在内核态完成的，需要进行2次CPU上下文切换(用户空间–>内核空间–>用户空间)，不涉及用户态资源，也不会切换进程。
- 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用户空间的资源，也包括内核空间资源。
- 进程的上下文切换过程：
- 接收到切换信号，挂起进程，记录当前进程的虚拟内存、栈等资源存储;
- 将这个进程在 CPU 中的上下文状态存储于起来;
- 然后在内存中检索下一个进程的上下文;
- 并将其加载到 CPU的寄存器中恢复;
- 还需要刷新进程的虚拟内存和用户栈;
- 最后跳转到程序计数器所指向的位置（即跳转到进程被中断时的代码行），以恢复该进程。
- 下列将会触发进程上下文切换的场景：
- 根据调度策略，将CPU时间划片为对应的时间片，当时间片耗尽，当前进程必须挂起。
- 资源不足的，在获取到足够资源之前进程挂起。
- 进程sleep挂起进程。
- 高优先级进程导致当前进度挂起
- 硬件中断，导致当前进程挂起
线程上下文切换：
- 不通进程之间的线程上下文切换，其过程和进程上下文切换大致相同。
- 进程内部的线程进上下文切换。不需要切换进程的用户资源，只需要切换线程私有的数据和寄存器等。这会比进程上下文进程切换消耗的资源少，所以多线程相比多进程的优势。
中断上下文切换
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。同一CPU内，硬件中断优先级高于进程。切换过程类似于系统调用的时候，不涉及到用户运行态资源。但大量的中断上下文切换同样可能引发性能问题。
怎么查看系统上下文切换
vmstat 5
每5秒钟输出一组数据
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
1 0 724224 88188 16924 319048 1 2 16 18 32 1 1 1 98 0 0
0 0 724224 88276 16932 319048 1 0 1 6 400 791 1 1 98 0 0
0 0 724224 87812 16932 319048 1 0 1 0 510 978 2 1 97 0 0
- cs（context switch）每秒上下文切换的次数
- in(interrupt)每秒中断的次数
- r（Running and 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 -w 5 每5秒输出一次进程上下文切换的情况
zhk@ubuntu:~$ pidstat -w 5
Linux 4.15.0-29-generic (ubuntu) 12/18/2018 _x86_64_ (2 CPU)
02:57:47 PM UID PID cswch/s nvcswch/s Command
02:57:52 PM 0 7 0.98 0.00 ksoftirqd/0
02:57:52 PM 0 8 19.02 0.00 rcu_sched
02:57:52 PM 0 11 0.39 0.00 watchdog/0
02:57:52 PM 0 14 0.39 0.00 watchdog/1
02:57:52 PM 0 15 0.20 0.00 migration/1
02:57:52 PM 0 16 0.20 0.00 ksoftirqd/1
02:57:52 PM 0 189 0.39 0.00 kworker/0:1H
02:57:52 PM 0 192 0.20 0.00 kworker/1:1H
02:57:52 PM 103 444 19.22 3.73 dbus-daemon
02:57:52 PM 116 462 17.84 0.20 avahi-daemon
02:57:52 PM 0 471 0.20 0.00 irqbalance
02:57:52 PM 0 490 3.73 0.00 polkitd
02:57:52 PM 0 780 3.92 0.20 prltoolsd
02:57:52 PM 0 789 0.20 0.00 prltimesync
02:57:52 PM 121 1394 1.76 0.00 Xorg
02:57:52 PM 0 1718 0.20 0.00 packagekitd
02:57:52 PM 121 1742 0.98 0.00 gsd-color
02:57:52 PM 1000 2083 112.55 5.69 Xorg
02:57:52 PM 1000 2257 37.65 1.76 gnome-shell
02:57:52 PM 1000 2474 0.98 0.00 gsd-color
02:57:52 PM 1000 2582 0.98 0.00 prlshprof
02:57:52 PM 1000 3548 0.20 0.00 update-notifier
02:57:52 PM 0 11573 5.88 0.00 kworker/u64:0
02:57:52 PM 0 17931 3.33 0.00 kworker/u64:1
02:57:52 PM 1000 19023 8.24 0.20 gnome-terminal-
02:57:52 PM 0 20630 5.69 0.00 cupsd
02:57:52 PM 0 20640 1.76 0.00 cups-browsed
02:57:52 PM 1000 21446 1.76 0.20 watch
02:57:52 PM 0 26102 2.16 0.00 kworker/1:0
02:57:52 PM 0 28012 8.24 0.00 kworker/0:0
02:57:52 PM 1000 29135 0.20 0.00 pidstat
02:57:52 PM 0 29157 0.20 0.00 sh
02:57:52 PM 0 29158 3.33 0.00 lpstat
02:57:52 PM 0 29159 0.20 0.00 sed
cswch,每秒自愿上下文切换次数，进程无法获取所需资源导致的上下文切换，比如IO，内存不足等系统资源不足，会发送资源上下文切换
nvcswch 每秒非自愿上下文切换，指进程由于时间片已经到等原因，被系统强制调度，进而发送的上下文切换。大量进程在争抢CPU时，容易发送非自愿上下文切换。
模拟cpu切换
zhk@ubuntu:~$ sysbench --threads=10 --max-time=300 threads run
WARNING: --max-time is deprecated, use --time instead
sysbench 1.0.11 (using system LuaJIT 2.1.0-beta3)
Running the test with following options:
Number of threads: 10
Initializing random number generator from current time
Initializing worker threads...
Threads started!
vmstat 1
-w参数表示输出进程切换指标，-u表示输出cpu使用指标
pidstat -w -u 1
pidstat -wt 1