CPU上下文切换、进程上下文、中断上下文

        由于Linux是一个多任务操作系统，能够支持远大于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，而是由CPU进行调度，将时间分片，每个任务占用1个时间片，通过轮流的方式运行，但由于时间片粒度非常小，而CPU速度非常高，造成多任务同时运行的错觉。实际上，对于单个CPU核，其处理数据是串行的，就比如做核酸检测，只有一个检测口，组织人员会在检测口排几个队列，每个队列头部数出10个人构成一组。检测口就相当于CPU，无论怎么排队，所有人都得经过检测口，它的工作量一点没有变。但是各队列中的10人小组是轮换的，这样稍微增加一些效率（减少了数10个人的时间），保证了公平性（每个队列都是等同的，大家随便排到哪个队列里），如果检测速度非常快，那么单个队列里的各10个人小组可能并不觉得有另外几个队列的存在。对于多队列多CPU核的情况就复杂了，这里不讨论了。

         在每个任务（进程、线程、中断）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。以核酸检测为例，每个队列都有一个编号，从1-N；每个队列里的人都有一个号码，从1到K，但每个人胖瘦不同、检测耗时不同；核酸检测的时候，组织人员得知道下一次到了那个队列的哪个人员（这里假设做完核酸的人员还回到队列里）。如果组织人员不维护队列号码和队列内部的人员编号，那么整个过程将会混乱不堪。而组织人员做的事情就是给CPU的各寄存器装订正确的参数。这里面，队列就相当于任务，人员就相当于指令。

什么是CPU上下文

        CPU寄存器和程序计数器（也是一个寄存器）就是CPU上下文，因为它们都是CPU在运行任何任务前，必须的依赖环境。也就是上面的队列ID和人员编号。

• CPU寄存器是CPU内置的容量小、但速度极快的内存。
• 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。

什么是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，运行新任务的过程。

        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上下文切换的类型

        根据任务的不同，可以分为以下三种类型：

• 进程上下文切换
• 线程上下文切换
• 中断上下文切换

进程上下文切换

        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，CPU特权等级的Ring0和Ring3。

• 内核空间（Ring0）具有最高权限，可以直接访问所有资源；
• 用户空间（Ring3）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。

系统调用

        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。

        在这个系统调用的执行过程中就发生了CPU上下文切换，整个过程是这样的：

1. 保存CPU寄存器里原来用户态的指令位置（这部分代码是用户写的，通俗地讲就是下一个要执行的用户代码行号）；
2. 为了执行内核态代码，（这部分代码不是用户写的，而是linux内核中的代码）CPU寄存器需要更新为内核态指令的新位置（内核代码的行号？）；
3. 跳转到内核态运行内核任务；
4. 当系统调用结束后，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。（用户态-内核态-用户态）

        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。系统调用属于同进程内的CPU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。

发生进程上下文切换的场景

        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。这样，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