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，需要系统事先设置好CPU寄存器和程序计数器。

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。

知道了什么是CPU上下文，我想也就很容易理解CPU上下文切换。CPU上下文切换就是先把前一个任务的CPU上下文保存下来，然后加载新任务的上下文到寄存器和程序计数器中，最后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。

根据任务的不同，CPU的上下文切换可以分为几个不同的场景，也就是进程上下文、线程上下文以及中断上下文切换。
**

进程上下文

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内核才可以访问特权资源。

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才可以完成：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，最后调用close()关闭文件。

那么系统调用的过程有没有发生CPU上下文的切换呢？答案自然是肯定的。
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，然后在切换回用户空间继续运行进程，所以，一次系统调用的过程实际上其实发生了两次CPU上下文切换。
**
不过需要注意的是，系统调用的过程中，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，这和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执行。
• 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，不是上下文切换。

那么进程上下文切换和系统调用有什么区别呢？
首先，进程是由内核来管理和调度的，所以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。

因此进程的上下文切换就比系统调用时多了一步：在保存当前进程的内核状态和CPU寄存器之前，需要先把进程的虚拟内存、栈等保存下来；而加载了下一进程的内核态，还需要刷新进程的虚拟内存和用户栈。

另外，我们知道，Linux通过TLB来管理虚拟内存到物理内存的映射关系，当虚拟内存刷新后，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到当前处理器的进程，还会影响到共享缓存的其他处理器的进程。

我们再来看，究竟什么时候会切换进程上下文：
显然，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，将活跃进程按照优先级和等待CPU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事件最长的进程来运行。

那么，进程什么时候才会被调度到CPU上运行呢？

其一，为了保证所有进程可以得到公平调度，CPU事件被划分为一段段的时间片，这些时间片在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。

其二，进程在系统资源不足时，需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，当由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的进程来运行。

最后一个，发送硬件中断时，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。

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，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的时候是不需要修改的
• 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，线程的上下文切换可以分别两种情况：
第一种，前后两个线程属于两个不同进程，此时，因为资源不共享，所以切换过程就和进程上下文切换是一样的。

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。

中断上下文切换

除了前面两种上下文切换，还有一个场景也会切换CPU上下文，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，就需要把进程的当前状态保存下来，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于用户态的进程，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须的状态，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送，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器程序都短小精悍，以便尽可能快的执行结束。