上下文切换
进程在竞争 CPU 的时候并没有真正运行cpu 升高的罪魁祸首上下文切换；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是真的在同时运行，而是因为系统在很短的时间内，将 CPU 轮流分配给它们，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，需要系统事先帮它设置好 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位置。它们都是 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。CPU 上下文切换无非就是更新了 CPU 寄存器的值嘛，但这些寄存器，本身就是为了快速运行任务而设计的，为什么会影响系统的 CPU 性能呢？任务就是进程，或者说任务就是线程。是的，进程和线程正是最常见的任务。但是除此之外，还有没有其他的任务呢？硬件通过触发信号，会导致中断处理程序的调用，也是一种常见的任务。
上下文切换的跟据任务的不同，CPU 的上下文切换就可以分为几个不同的场景，也就是进程上下文切换、线程上下文切换以及中断上下文切换。
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，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（Ring 0）具有最高权限，可以直接访问所有资源；换个角度看，也就是说，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。从用户态到内核态的转变，需要通过系统调用来完成。 系统调用就发生了上下文切换；CPU 寄存器里原来用户态的指令位置，需要先保存起来。接着，为了执行内核态代码，CPU 寄存器需要更新为内核态指令的新位置。最后才是跳转到内核态运行内核任务。而系统调用结束后，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。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。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。
进程上下文与系统调用的区别：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虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源，还包括了内核堆栈、寄存器等内核空间的状态。保存上下文和恢复上下文的过程并不是“免费”的，需要内核在 CPU 上运行才能完成。
根据 Tsuna 的测试报告，每次上下文切换都需要几十纳秒到数微秒的 CPU 时间。这个时间还是相当可观的，特别是在进程上下文切换次数较多的情况下，很容易导致 CPU 将大量时间耗费在寄存器、内核栈以及虚拟内存等资源的保存和恢复上，进而大大缩短了真正运行进程的时间。导致平均负载升高的一个重要因素。 Linux 通过 TLB（Translation Lookaside Buffer）来管理虚拟内存到物理内存的映射关系。当虚拟内存更新后，TLB 也需要刷新，内存的访问也会随之变慢。特别是在多处理器系统上，缓存是被多个处理器共享的，刷新缓存不仅会影响当前处理器的进程，还会影响共享缓存的其他处理器的进程。
什么时候发生上下文切换
进程切换时才需要切换上下文，换句话说，只有在进程调度的时候，才需要切换上下文。Linux 为每个 CPU 都维护了一个就绪队列，将活跃进程（即正在运行和正在等待 CPU 的进程）按照优先级和等待 CPU 的时间排序，然后选择最需要 CPU 的进程，也就是优先级最高和等待 CPU 时间最长的进程来运行。
进程在什么时候才会被调度到 CPU 上运行呢？
最容易想到的一个时机，就是进程执行完终止了，它之前使用的 CPU 会释放出来，这个时候再从就绪队列里，拿一个新的进程过来运行。其实还有很多其他场景，也会触发进程调度，在这里逐个梳理下。
其一，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 的进程运行。
其二，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。
其三，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。
其四，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。
最后一个，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。
了解这几个场景是非常有必要的，因为一旦出现上下文切换的性能问题，它们就是幕后凶手。
线程上下文切换
线程与进程最大的区别在于，线程是调度的基本单位，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，我们可以这么理解：
当进程只有一个线程时，可以认为进程就等于线程。
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。
这么一来，线程的上下文切换其实就可以分为两种情况：
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是一样。
第二种，前后两个线程属于同一个进程。此时，因为虚拟内存是共享的，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。
到这里你应该也发现了，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，也正是多线程代替多进程的一个优势。
中断上下文切换
还有一个场景也会切换 CPU 上下文，那就是中断。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。
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。
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。
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。
CPU 上下文切换，是保证 Linux 系统正常工作的核心功能之一，一般情况下不需要我们特别关注。
但过多的上下文切换，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，从而缩短进程真正运行的时间，导致系统的整体性能大幅下降。
怎么查看系统的上下文切换情况
可以使用 vmstat 这个工具，来查询系统的上下文切换情况，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
安装分析工具
yum -y install procps-ng-3.3.10-23.el7.x86_64
运行
[root@master ~]# 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 0 7409368 2108 469492 0 0 2 54 246 159 1 0 98 0 0 0 0 0 7409244 2108 469524 0 0 0 0 17 19 0 0 100 0 0
需要特别关注的四列内容：
cs（context switch）是每秒上下文切换的次数。
in（interrupt）则是每秒中断的次数。
r（Running or Runnable）是就绪队列的长度，也就是正在运行和等待 CPU 的进程数。
b（Blocked）则是处于不可中断睡眠状态的进程数。
上下文切换次数 159 ，系统中断次数 in 则是 246 次，就绪队列长度 r 是1次 和不可中断状态进程数 b 是 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，就需要提到过的 pidstat 了。给它加上 -w 选项，可以查看每个进程上下文切换的情况了。
[root@master ~]# pidstat -w Linux 3.10.0-957.el7.x86_64 (master) 2020年03月12日 _x86_64_ (2 CPU) 20时39分22秒 UID PID cswch/s nvcswch/s Command 20时39分22秒 0 1 0.07 0.03 systemd 20时39分22秒 0 2 0.01 0.00 kthreadd 20时39分22秒 0 3 0.10 0.00 ksoftirqd/0 20时39分22秒 0 5 0.00 0.00 kworker/0:0H
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。
所谓自愿上下文切换，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。而非自愿上下文切换，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。
安装工具示例分析
yum -y install sysbench
查看空闲系统cpu上下文切换
[root@master ~]# vmstat 1 1 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 0 7399736 2108 478944 0 0 2 54 244 158 1 0 98 0 0
模拟
[root@master ~]# sysbench --threads=10 --max-time=300 threads run WARNING: --max-time is deprecated, use --time instead sysbench 1.0.17 (using system LuaJIT 2.0.4) Running the test with following options: Number of threads: 10 Initializing random number generator from current time Initializing worker threads... Threads started!
查看
[root@master ~]# vmstat 1 procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu----- r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st 8 0 0 7394660 2108 479336 0 0 2 54 244 284 1 0 98 0 0 7 0 0 7394660 2108 479352 0 0 0 0 2137 1360097 13 87 0 0 0 7 0 0 7394660 2108 479352 0 0 0 0 2077 1535057 13 87 0 0 0
r 列：就绪队列的长度已经到了7，远远超过了系统 CPU 的个数 2，所以肯定会有大量的 CPU 竞争。
us（user）和 sy（system）列：这两列的 CPU 使用率加起来上升到了 100%，其中系统 CPU 使用率，也就是 sy 列高达 87%，说明 CPU 主要是被内核占用了。
in 列：中断次数也上升到了 2千左右，说明中断处理也是个潜在的问题。
综合这几个指标，我们可以知道，系统的就绪队列过长，也就是正在运行和等待 CPU 的进程数过多，导致了大量的上下文切换，而上下文切换又导致了系统 CPU 的占用率升高。
继续分析，在第三个终端再用 pidstat 来看一下， CPU 和进程上下文切换的情况：
[root@master ~]# pidstat -w -u 1 Linux 3.10.0-957.el7.x86_64 (master) 2020年03月12日 _x86_64_ (2 CPU) 20时53分42秒 UID PID %usr %system %guest %CPU CPU Command 20时53分44秒 0 9851 27.18 100.00 0.00 100.00 0 sysbench 20时53分44秒 0 9864 0.00 0.97 0.00 0.97 0 pidstat 20时53分42秒 UID PID cswch/s nvcswch/s Command 20时53分44秒 0 3 0.97 0.00 ksoftirqd/0 20时53分44秒 0 9 12.62 0.00 rcu_sched 20时53分44秒 0 11 0.97 0.00 watchdog/0 20时53分44秒 0 12 0.97 0.00 watchdog/1 20时53分44秒 0 9514 0.97 0.00 kworker/u4:1 20时53分44秒 0 9842 0.97 0.00 kworker/1:2 20时53分44秒 0 9863 0.97 0.00 kworker/0:2 20时53分44秒 0 9864 0.97 0.00 pidstat
从 pidstat 的输出你可以发现，CPU 使用率的升高果然是 sysbench 导致的，它的 CPU 使用率已经达到了 100%。但上下文切换则是来自其他进程，包括非自愿上下文切换频率最高的 pidstat ，以及自愿上下文切换频率最高的内核线程 kworker 和 sshd，不过，细心的你肯定也发现了一个怪异的事儿：pidstat 输出的上下文切换次数，加起来也就几百，比 vmstat 的 139 万明显小了太多cs列；pidstat 默认显示进程的指标数据，加上 -t 参数后，才会输出线程的指标。
[root@master ~]# pidstat -wt 1 Linux 3.10.0-957.el7.x86_64 (master) 2020年03月12日 _x86_64_ (2 CPU) 21时01分17秒 UID TGID TID cswch/s nvcswch/s Command 21时01分18秒 0 3 - 0.93 0.00 ksoftirqd/0 21时01分18秒 0 - 3 0.93 0.00 |__ksoftirqd/0 21时01分18秒 0 9 - 16.82 0.00 rcu_sched 21时01分18秒 0 - 9 16.82 0.00 |__rcu_sched 21时01分18秒 998 5145 - 0.93 0.00 chronyd 21时01分18秒 998 - 5145 0.93 0.00 |__chronyd 21时01分18秒 0 - 5195 0.93 0.00 |__gmain 21时01分18秒 0 - 5832 0.93 0.00 |__tuned 21时01分18秒 0 - 5518 0.93 0.00 |__in:imjournal 21时01分18秒 0 9514 - 0.93 0.00 kworker/u4:1 21时01分18秒 0 - 9514 0.93 0.00 |__kworker/u4:1 21时01分18秒 0 9863 - 0.93 0.00 kworker/0:2 21时01分18秒 0 - 9863 0.93 0.00 |__kworker/0:2 21时01分18秒 0 9865 - 2.80 0.00 kworker/0:1 21时01分18秒 0 - 9865 2.80 0.00 |__kworker/0:1 21时01分18秒 0 - 9867 32569.16 90902.80 |__sysbench 21时01分18秒 0 - 9868 28763.55 126709.35 |__sysbench 21时01分18秒 0 - 9869 19532.71 112644.86 |__sysbench 21时01分18秒 0 - 9870 24392.52 105539.25 |__sysbench 21时01分18秒 0 - 9871 21300.93 93564.49 |__sysbench 21时01分18秒 0 - 9872 30521.50 97540.19 |__sysbench 21时01分18秒 0 - 9873 32982.24 97885.05 |__sysbench 21时01分18秒 0 - 9874 27743.93 114308.41 |__sysbench 21时01分18秒 0 - 9875 32387.85 117520.56 |__sysbench 21时01分18秒 0 - 9876 21925.23 127110.28 |__sysbench 21时01分18秒 0 9882 - 0.93 0.00 kworker/1:0 21时01分18秒 0 - 9882 0.93 0.00 |__kworker/1:0 21时01分18秒 0 9897 - 0.93 1.87 pidstat 21时01分18秒 0 - 9897 0.93 0.93 |__pidstat ^C
既然是中断，我们都知道，它只发生在内核态，而 pidstat 只是一个进程的性能分析工具，并不提供任何关于中断的详细信息；就是从 /proc/interrupts 这个只读文件中读取。/proc 实际上是 Linux 的一个虚拟文件系统，用于内核空间与用户空间之间的通信。/proc/interrupts 就是这种通信机制的一部分，提供了一个只读的中断使用情况。
# -d 参数表示高亮显示变化的区域
$ watch -d cat /proc/interrupts
CPU0 CPU1
...
RES: 2450431 5279697 Rescheduling interrupts
...
观察一段时间，你可以发现，变化速度最快的是重调度中断（RES），这个中断类型表示，唤醒空闲状态的 CPU 来调度新的任务运行。这是多处理器系统（SMP）中，调度器用来分散任务到不同 CPU 的机制，通常也被称为处理器间中断（Inter-Processor Interrupts，IPI）。
所以，这里的中断升高还是因为过多任务的调度问题，跟前面上下文切换次数的分析结果是一致的
这个数值其实取决于系统本身的 CPU 性能。在我看来，如果系统的上下文切换次数比较稳定，那么从数百到一万以内，都应该算是正常的。但当上下文切换次数超过一万次，或者切换次数出现数量级的增长时，就很可能已经出现了性能问题。
这时，你还需要根据上下文切换的类型，再做具体分析。比方说：
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。