上一节，我讲了要怎么理解平均负载，并用三个案例展示了不同场景下平均负载升高的分析方法。这其中，多个进程竞争CPU就是一个经常被我们忽视的问题。
我想你一定很好奇，进程在竞争CPU的时候并没有真正运行，为什么还会导致系统的负载升高呢？你应该已经猜到了，CPU上下文切换就是罪魁祸首。
我们都知道，linux是一个多任务操作系统，它支持远大于CPU数量的任务同时运行。当然，这些任务实际上并不时真的在同时运行，而是因为系统在很短的时间内，将CPU轮流分配给他们，造成多任务同时运行的错觉。
而在每个任务运行前，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，需要系统事先帮他设置好CPU寄存器和程序计数器（Program Counter,PC）。
CPU寄存器，是CPU内置的容量小、但速度极快的内存。而程序计数器，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的位置。他们都是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。
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。 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。
一、关于上下文切换的几个为什么？
1、 上下文切换是什么？
上下文切换是对任务当前运行状态的暂存和恢复
2、 CPU为什么要进行上下文切换？
当多个进程竞争CPU的时候，CPU为了保证每个进程能公平被调度运行，采取了处理任务时间分片的机制，轮流处理多个进程，由于CPU处理速度非常快，在人类的感官上认为是并行处理，实际是"伪"并行，同一时间只有一个任务在运行处理。
3、 上下文切换主要消耗什么资源，为什么说上下文切换次数过多不可取？
根据 Tsuna 的测试报告，每次上下文切换都需要几十纳秒到到微秒的CPU时间，这些时间对CPU来说，就好比人类对1分钟或10分钟的感觉概念。在分秒必争的计算机处理环境下，浪费太多时间在切换上，只能会降低真正处理任务的时间，表象上导致延时、排队、卡顿现象发生。
4、 上下文切换分几种？
进程上下文切换、线程上下文切换、中断上下文切换
5、 什么情况下会触发上下文切换？
系统调用、进程状态转换(运行、就绪、阻塞)、时间片耗尽、系统资源不足、sleep、优先级调度、硬件中断等
6、 线程上下文切换和进程上下文切换的最大区别？
线程是调度的基本单位，进程是资源拥有的基本单位，同属一个进程的线程，发生上下文切换，只切换线程的私有数据，共享数据不变，因此速度非常快。
7、 有哪些减少上下文切换的技术用例？
数据库连接池（复用连接）、合理设置应用的最大进程，线程数、直接内存访问DMA、零拷贝技术
二、上下文切换过程详解
1、进程上下文切换过程
（1）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，分别对应着下图中，CPU特权等级的Ring 0和Ring 3。
内核空间（Ring 0）具有最高权限，可以直接访问所有资源；内核空间态资源包括内核的堆栈、寄存器等
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。用户空间态资源包括虚拟内存、栈、变量、正文、数据等
(2)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。
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。
(3)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。
(4)进程的上下文切换过程：
(a)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;
(b)将这个进程在 CPU 中的上下文状态存储于起来;
(c)然后在内存中检索下一个进程的上下文;
(d)并将其加载到 CPU的寄存器中恢复;
(e)还需要刷新进程的虚拟内存和用户栈;
(f)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。
(5)、进程在什么时候才会被调度到CPU上运行呢？
(a)、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，切换到其他正在等待CPU的进程运行。
(b)、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，并由系统调度其他程序运行。
(c)、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。
(d)、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。
(e)、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。
2、线程上下文切换
线程与进程最大的区别在于，线程时调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位。说白了，所谓内核中的任务调度，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。所以，对于线程和进程，我们可以这样理解：
当进程只有一个线程时，可以任务进程等于线程。
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。这些资源在上下文切换时是不需要修改的。
另外，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。
线程的上下文切换可以分为两种情况：
第一种，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时一样。
第二种，前后两个线程属于同一个进程。此时，因为虚拟内存时共享的，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。
到这里你就应该发现了，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，而这也正是多线程替代多进程的一个优势。
3、 中断上下文切换，如何理解？
为了快速响应硬件的事件(如USB接入)，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。而打断其它进程执行时，需要进行上下文切换。中断事件过多，会无谓的消耗CPU资源，导致进程处理时间延长。
对于一个CPU来说，中断处理比进程拥有更高的优先级
