首先我们来谈一下程序计数器(ProgramCounter)，计算机中提供要从存储器中取出的下一个指令地址的寄存器，通常情况下，每一个指令取出后寄存器就自动增加一步就如《微机原理》当中的PC=PC+1，在x86体系里是这样。x86系统中自增的是IP，用CS:IP组合表示正在执行的指令地址，此时PC只是一个概念上的说法。在ARM体系中R15就是PC，当然ARM和IA-32、x64都支持高级内存管理，所以「PC」的内容未必是当前指令在内存中的绝对位置。
CPU上下文可以理解成CPU寄存器状态以及程序计数器PC，这些都是记录CPU当前任务的状态。CPU上下文切换会把当前的cpu的上下文保存下来，然后加载新任务的对应上下文，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。
任务一般包括:
1.进程
2.线程
3.中断上下文
CPU上下文的切换会因特权模式切换、进程上下文切换、线程上下文切换以及中断上下文切换产生。
1.特权模式切换
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。
进程可以在用户空间运行，也可以在内核空间运行。当调用open()、read()、write()、close()系统函数,CPU会保存原来用户态的指令位置，然后更新CPU寄存器内核态指令的新位置。最后执行内核态函数。当系统调用结束后，CPU恢复原来的用户态，切换回用户空间继续执行进程。
可以看到用户态-内核态，内核态-用户态这两个过程总共是产生了两次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。
2.进程上下文切换
进程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，与系统调用相比进程间的切换还需要把内容保存下来。
进程上下文切换数量多，容易导致CPU花费更多的时间在寄存器、虚拟内存、内核栈等资源的保存和恢复上，减少了进程运行时间，致使平均负载升高。Linux通过TLB（TranslationLookasideBuffer）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。
进程上下文切换发生在进程调度的过程。
主要在以下场景触发：
CPU时间是被划分成各个时间片，当前进程的时间片被耗尽之后会被系统挂起，切换到其他正在等待CPU的进程来运行。
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。
当进程通过睡眠函数sleep或者sched_yield这样的方法将自己主动挂起时，自然也会重新调度。
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。
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。
3.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。linux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。进程中只有一个线程，进程等于线程。因为同一进程下线程是共享虚拟内存，相关间的切换只需保存其私有数据、寄存器等，因此进程内的线程切换比进程间的切换消耗更少资源。
4.中断上下文切换
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。
5.CPU上下文切分析
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。
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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。
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。
总结
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。
以上就是关于今天的全部内容，下期将给大家带来《如何使用eBPF增加产品的可观察性》，敬请期待~
