目录
[1.1 硬件上下文（进程切换核心）](#1.1 硬件上下文（进程切换核心）)
[1.2 软件上下文](#1.2 软件上下文)
[三、进程切换底层原理 switch_to](#三、进程切换底层原理 switch_to)
[进程切换 VS 同进程内线程切换对比](#进程切换 VS 同进程内线程切换对比)
[五、自愿上下文切换 & 非自愿上下文切换](#五、自愿上下文切换 & 非自愿上下文切换)
[六、查看上下文切换的 Linux 实操命令](#六、查看上下文切换的 Linux 实操命令)
[1. vmstat 全局查看系统上下文切换](#1. vmstat 全局查看系统上下文切换)
[2. pidstat 观测单个进程的上下文切换](#2. pidstat 观测单个进程的上下文切换)
[7.1 上下文切换 ≠ 系统调用](#7.1 上下文切换 ≠ 系统调用)
[7.2 进程切换发生在内核态，不能在用户态完成](#7.2 进程切换发生在内核态，不能在用户态完成)
[Q2：switch_to 函数主要做了哪些工作？](#Q2：switch_to 函数主要做了哪些工作？)
一、进程上下文
进程上下文，是进程能够继续运行所需要的全部运行环境信息，分为硬件上下文 和软件上下文两大块。
1.1 硬件上下文（进程切换核心）
CPU 内部所有寄存器里面保存的数据，就是硬件上下文：通用寄存器、ebp、esp、程序计数器 PC（eip/x86_64 下 rip）、标志寄存器、段寄存器。
- PC（程序计数器）：保存下一条要执行指令的地址。
- 当进程被从 CPU 剥离，硬件上下文会完整存入该进程 PCB（task_struct）；当进程再次被调度上 CPU，从 PCB 读取硬件上下文，回填到 CPU 寄存器，进程从上次暂停的位置继续运行，不会从头执行。
参考一下Linux内核0.11代码
Linux内核调度队列
1.2 软件上下文
存放在 PCB 内，描述进程资源的软件层面信息：虚拟地址空间、页表、文件描述符表、信号状态、进程优先级、进程组、会话信息。
一句话总结：进程上下文 = 硬件现场 + 进程所有资源描述信息。
二、触发进程切换的场景
进程切换只会发生在内核态，一般在中断、系统调用返回内核态时检查是否需要调度。
- 时间片耗尽（最常见，非自愿切换） Linux 给就绪队列 R 状态进程分配时间片，进程在 CPU 运行，时间片用完，时钟硬件中断触发。内核进入中断处理，中断收尾阶段触发调度，换下当前进程，挑选新进程。
- 进程主动阻塞，自愿放弃 CPU（自愿切换） 进程调用
sleep()、read()、wait()这类阻塞系统调用，需要等待 IO、等待资源。进程主动让出 CPU，状态由 R 变为 S/D，进入等待队列，触发进程切换。 - 抢占式调度，高优先级进程就绪 Linux2.6 引入抢占式内核。低优先级进程正在 CPU 运行，此时更高优先级进程变为就绪 R 状态，内核可以抢占 CPU，强制换下低优先级进程，运行高优先级进程。
- 硬件中断处理结束 硬件外设触发中断，内核进入中断处理流程。中断处理完毕，准备返回用户态之前，内核会检查是否有就绪更高优先级进程，满足条件就触发进程切换。
重要区分：中断 ≠ 进程切换。中断只是处理硬件事件；只有中断返回前调度器判定需要更换进程，才执行切换。
三、进程切换底层原理 switch_to
Linux 内核真正完成硬件上下文切换的底层函数 switch_to，是汇编函数，无法用纯 C 语言实现。C 语言执行本身依赖寄存器，一旦开始切换寄存器，C 语言栈环境失效。 函数接收两个 task_struct 指针：当前运行进程、即将要调度的下一个进程。
switch_to 内部执行完整三步：
- 保存当前进程硬件上下文 把 CPU 全部通用寄存器、栈寄存器、PC 指令地址，保存到当前进程 PCB 内预留的上下文存储区域。保存完成，当前进程暂停运行。
- 切换内核栈 + 修改 CR3 寄存器，更换页表 CR3 寄存器存放当前进程页表的物理地址，MMU 内存管理单元依靠 CR3 完成虚拟地址到物理地址的转换。 不同进程拥有独立虚拟地址空间，页表不同，修改 CR3，就切换地址空间。
进程切换和线程切换最核心差别：同一进程内线程共享一套页表，线程切换不需要修改 CR3，开销小很多。
- 加载新进程硬件上下文 从新进程 PCB 中读取之前保存的寄存器数据，回填到 CPU 寄存器，恢复 PC 值。CPU 从 PC 指向的地址继续执行新进程代码。
四、进程切换的开销（重点）
开销分为直接开销、间接开销，间接开销往往更大。
- 直接开销 寄存器保存与恢复、内核栈切换、修改 CR3 页表，也就是
switch_to本身执行消耗的 CPU 周期。 - 间接开销（缓存失效，最大损耗） CPU L1/L2/L3 高速缓存，缓存当前进程指令与数据。当切换到另一个完全独立的进程，缓存内的数据基本失效。新进程的数据需要重新从内存加载进缓存，缓存命中率大幅下降，带来巨大性能损耗。
工程结论：大量频繁进程切换，CPU 大量时间消耗在切换本身，业务代码能拿到的 CPU 时间变少，系统吞吐量下降。
进程切换 VS 同进程内线程切换对比
表格
| 对比项 | 进程切换 | 同一进程内线程切换 |
|---|---|---|
| CR3 页表寄存器 | 需要修改，更换独立地址空间 | 不修改 CR3，共享页表 |
| CPU 高速缓存 | 缓存大概率失效 | 缓存数据大部分保留 |
| 切换开销 | 开销很大 | 开销很小 |
五、自愿上下文切换 & 非自愿上下文切换
使用pidstat -w命令可以观测这两类切换，是服务器性能排查核心指标。
- 自愿上下文切换 cswch 进程主动放弃 CPU。例如调用 sleep、等待磁盘 IO、等待管道数据，主动进入阻塞状态。属于正常现象，代表进程在等资源。
- 非自愿上下文切换 nvcswch 进程不是主动让出 CPU。时间片耗尽、被高优先级进程抢占，被强制剥夺 CPU。
非自愿切换数值持续很高，代表 CPU 负载压力大，就绪队列进程太多，互相争抢 CPU。
六、查看上下文切换的 Linux 实操命令
1. vmstat 全局查看系统上下文切换
vmstat 1cs列：context switch，每秒全局上下文切换次数in列：每秒硬件中断次数
2. pidstat 观测单个进程的上下文切换
pidstat -w 1- cswch/s：每秒自愿上下文切换次数
- nvcswch/s：每秒非自愿上下文切换次数
七、易混淆概念辨析
7.1 上下文切换 ≠ 系统调用
系统调用：用户态陷入内核态，在内核执行内核代码。发生系统调用，不一定触发进程切换。进程依旧占用 CPU，只是从用户态切换到内核态执行代码，进程本身没有被换下 CPU。 只有调度器选择更换另一个进程，才会执行进程上下文切换。
7.2 进程切换发生在内核态，不能在用户态完成
用户态权限受限，没有权限修改 CR3 寄存器、直接操作硬件寄存器。 完整流程：
- 用户态运行 → 中断 / 系统调用触发，进入内核态
- 内核调度器选出下一个待运行进程
- 调用
switch_to执行硬件上下文切换 - 新进程内核态返回自己的用户态，继续运行
八、面试高频问答
Q1：进程上下文包含哪些内容？
硬件上下文（CPU 全部寄存器、PC 指令寄存器） + 软件上下文（PCB 中保存的进程资源信息：虚拟地址空间、文件描述符、信号、优先级、进程组等），硬件上下文是切换核心。
Q2：switch_to 函数主要做了哪些工作？
汇编底层函数，保存当前进程寄存器上下文到 PCB，切换内核栈，修改 CR3 切换进程页表，加载新进程寄存器上下文，完成进程切换。
Q3：进程切换开销为什么大？
除了寄存器读写的直接开销，更换页表会导致 CPU 高速缓存失效，新进程数据需要重新从内存载入缓存，带来很大的间接性能损耗。
Q4：自愿上下文切换和非自愿上下文切换区别？
自愿：进程主动阻塞等待资源，主动放弃 CPU，属于正常 IO 等待； 非自愿：进程时间片耗尽、被高优先级进程抢占，被动被剥夺 CPU。大量非自愿切换代表 CPU 压力高。
Q5：进程切换和线程切换的核心区别？
同一个进程内部多个线程共享虚拟地址空间，线程切换不需要修改 CR3 页表，CPU 缓存大部分数据保留，切换开销远低于进程切换。
Q6：进程切换为什么只能在内核态执行？
用户态权限低，无法直接操作 CR3 页表寄存器、硬件寄存器，只有内核态拥有操作硬件的权限。进程切换一般在中断或者系统调用返回内核态时执行。
九、小结
进程切换本质：保存旧进程硬件现场，加载新进程硬件现场。底层依靠汇编switch_to完成，修改 CR3 寄存器切换页表是进程切换标志性操作。 进程切换存在性能开销，频繁切换会降低系统整体性能。学会区分自愿 / 非自愿上下文切换，是 Linux 服务器性能调优的基础。
本篇结束，下一章：环境变量
