Linux 是一个多任务操作系统，当比较多数量的进程抢夺 CPU 时，上下文切换的损耗会显得比较大，本文讲述上下文切换的基础知识以及如何衡量 Linux 系统的上下文切换的性能指标。
特权模式切换(系统调用)
特权模式切换是指系统调用过程，在同一个进程中进行“用户态－内核态－用户态”的切换过程，一次系统调用，会发生两次 CPU 上下文切换。这过程中，先保存 CPU 寄存器里原来用户态的指令位置，接下来要执行内核态代码，CPU 寄存器更新为内核态指令的位置，最后跳转到内核态运行内核任务。
与进程上下文切换不同的是，系统调用过程中，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。
了解更多 Linux Protection Rings 特权保护级别，看下图
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。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。
进程的上下文有什么？
进程的上下文有虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源，还包括内核堆栈、寄存器等内核空间的状态。
于是，切换进程的过程比系统调用过程要多一步，在保存内核状态与 CPU 寄存器之前，需要把进程的虚拟内存、栈等保存下来；等加载下一个进程的内核态后，需要更新下一个进程的虚拟内存、栈等。
Linux 如何进行进程调度
首先，为了公平调度，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。
第二，进程在系统资源不足（比如内存不足）时，要等到资源满足后才可以运行，这个时候进程也会被挂起，并由系统调度其他进程运行。
第三，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。
第四，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。
最后，发生硬件中断时(比如网卡硬盘键盘等)，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
我们这里讨论同一个进程下多个线程的上下文切换。线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位。于是，内核中的任务调度，实际上的调度对象是线程；而进程只是给线程提供了虚拟内存、全局变量等资源。
由于同一个进程下，多个线程共享虚拟内存等资源，所以线程的上下文切换，只需切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据。
中断上下文切换
中断是什么？中断其实是一种异步的事件处理机制，可以提高系统的并发处理能力。中断分为两种，硬中断与软中断。
硬中断：比如网卡接收数据后，需要通知 Linux 内核有新的数据到了，通过硬件中断的方式发送电信号给内核，内核此时调用中断处理程序来响应下。这一步需要快速响应，防止时间过长影响系统的并发处理能力。于是，内核把网卡的数据读到内存中，更新一下硬件寄存器的状态，表示数据已经读好了。再发送一个软中断信号给用户程序，结束中断处理程序。
软中断：用户程序需要处理网卡接收的数据，正处于 read 或者 epoll 的系统调用的 Sleep 状态中。系统如何通知用户程序收数据呢？每个 CPU 都对应一个软中断内核线程，名 ksoftirqd/$CPU_NUM，它被软中断信号唤醒，从内存中找到网络数据，按照网络协议栈，对数据进行逐层解析和处理，再发到用户程序上（唤醒用户程序）
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，响应设备事件。而在打断其他进程时，就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。
对同一个 CPU 来说，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。同样道理，由于中断会打断正常进程的调度和执行，所以大部分中断处理程序都短小精悍，以便尽可能快的执行结束。
跟进程上下文不同，中断上下文切换并不涉及到进程的用户态。所以，即便中断过程打断了一个正处在用户态的进程，也不需要保存和恢复这个进程的虚拟内存、全局变量等用户态资源。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。
另外，跟进程上下文切换一样，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。所以，当你发现中断次数过多时，就需要注意去排查它是否会给你的系统带来严重的性能问题。
上下文切换频繁的性能问题
过多的上下文切换，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，缩短进程真正运行的时间，成了系统性能大幅下降的一个元凶。
从性能角度看待上下文切换
自愿上下文切换，是指进程无法获取所需资源，导致的上下文切换。比如说， I/O、内存等系统资源不足时，就会发生自愿上下文切换。
非自愿上下文切换，则是指进程由于时间片已到等原因，被系统强制调度，进而发生的上下文切换。比如说，大量进程都在争抢 CPU 时，就容易发生非自愿上下文切换。
如何查看系统CPU上下文切换情况
vmstat 是一个常用的系统性能分析工具，主要用来分析系统的内存使用情况，也常用来分析 CPU 上下文切换和中断的次数。
$ vmstat 5procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st0 0 0 147112 237020 3158320 0 0 2 13 0 0 3 2 95 0 00 0 0 146908 237020 3158364 0 0 0 39 6688 15604 2 1 96 0 0
vmstat 只给出了系统总体的上下文切换情况，要想查看每个进程的详细情况，需要使用 pidstat，给它加上 -w 选项，你就可以查看每个进程上下文切换的情况了。
$ pidstat -w 5Linux 4.4.0-33.bm.1-amd64 (n8-124-028) 11/29/2018 _x86_64_ (4 CPU)09:08:53 AM UID PID cswch/s nvcswch/s Command09:08:58 AM 0 1 0.20 0.00 systemd09:08:58 AM 0 3 1.00 0.00 ksoftirqd/009:08:58 AM 0 7 77.25 0.00 rcu_sched
这个结果中有两列内容是我们的重点关注对象。一个是 cswch ，表示每秒自愿上下文切换（voluntary context switches）的次数，另一个则是 nvcswch ，表示每秒非自愿上下文切换（non voluntary context switches）的次数。这两种上下文切换往往代表不同的性能问题。
小结
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；
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；
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。