上下文是指CPU寄存器和程序计数器。它们是CPU在运行前，必须依赖的环境。

1. CPU寄存器是CPU内置的容量小但是速度极快的的内存。
2. 程序计数器是用来存储CPU正在执行的指令位置和即将执行的下一条指令的位置。 上下文切换是在CPU上对进程或者线程进行切换，将前一个任务的CPU上下文保存起来，然后加载新任务的上下文到CPU寄存器和程序计数器，最后跳转到程序计数器指的位置，运行新任务。

上下文切换的种类

根据任务的不同，上下文切换可以分为进程上下文切换、线程上下文切换、中断上下文切换。

进程上下文切换

进程上下文切换步骤

上下文切换的信息保存在进程控制块（PCB Process-Control Block）,PCB又被称为切换帧，上下文切换的信息会一直保存在内存中，直至再次被使用。

1. 保存进程A的状态（CPU寄存器和程序计数器）。
2. 更新PCB中的信息，对进程A的运行态作出相应改变。
3. 将进程A的PCB放入相关状态的队列。
4. 将进程B的PCB信息改为运行态，并执行进程B。
5. B执行完以后，从队列中取出进程A的PCB，恢复进程A被切换时的上下文，继续执行A。

进程上下文切换损耗

1. 用户态和内核态切换

操作系统将进程的运行空间分为用户空间和内核空间，用户空间访问内存资源是受限的，内核空间可以访问所有资源，如果用户想读写硬件资源，只能通过系统调用的方式进行状态切换。 整个系统调用的流程如下：

1. 保存CPU寄存器里原来用户态的指令位。
2. 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，跳转内核态运行内核任务。
3. 任务执行结束，CPU寄存器需要恢复原来保存的用户态，然后在切换到用户空间，继续运行进程 一次系统调用，发生了两次状态切换（用户态-内核态-用户态）

系统调用并不会涉及虚拟内存等进程用户态的资源，也不会切换进程 进程上下文切换和用户态与内核态的CPU上下文切换有什么区别？

1. 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虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源，还包括内存堆栈，寄存器等内核空间的状态。
2. 进程的上下文切换比用户态和内核态的CPU切换多了一步，在保存内核态资源（当前进程的内核状态和CPU寄存器）之前，需要把该进程的用户态资源（虚拟内存和栈）保存下来；在加载了下一进程的内核态资源后，还需要刷新进程的虚拟内存和用户栈。

2. 虚拟内存

虚拟内存和物理内存的映射通过页表机制来实现，为了更快的操作虚拟内存，操作系统设计了TLB来管理虚拟内存和物理内存的映射，可以理解为一个高速缓存器，特点是速度快，存储的数据少，缓存有可能不命中，系统发生进程切换，从进程A切换到进程B，TLB也必须刷新，在刷新后，进程B会出现TLB不命中的情况，导致虚拟内存访问变慢。

3. 进程本身数据结构庞大

Linux使用数据结构task_struct来描述进程所有的资源，主要成员有进程状态、内核栈信息、进程使用状态、PID、锁、优先级、时间片、队列、信号量、内存管理信息、文件列表等与进程管理、调度密切相关的信息，当切换进程时，这些数据结构也需要保存和恢复

线程上下文切换

进程和线程最大的区别是：线程是调度的基本单位，进程是资源拥有的基本单位。其实内核中的任务调度，实际上的调度对象是线程，进程只是给线程提供了虚拟内存、全局变量等资源。

• 当发生切换的两个线程不属于同一个进程，和两个进程切换的步骤一样。
• 当两个线程属于同一个进程，因为虚拟内存是共享的，刷新TLB没有必要，切换成本就小。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

• 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。在打断进程时，需要将进程当前的状态保存下来，在中断结束后，进程仍然可以在原来的状态恢复运行。
• 跟进程上下文切换不同的是，中断上下文切换并不涉及到用户态。所以即使打断处于用户态的进程，也不需要保存和恢复这个进程的虚拟内存，全局变量等用户资源。中断上下文其实只包括CPU寄存器、内核堆栈、硬件中断等参数。
• 对于同一个CPU来说，中断处理比进程拥有更高的优先级，所以不会出现中断上下文切换与进程上下文切换同时发生。中断上下文也需要切换也需要消耗CPU，切换次数过多也会耗费大量CPU，甚至严重降低系统的总体性能。

上下文切换场景

切换分为两种，自愿和非自愿

自愿上下文切换：

• 当前进程所需要的资源未满足时，会挂起等待。
• 调用睡眠函数sleep这样的方法将自己主动挂起。

非自愿上下文切换：

• 为了保证所有的进程可以得到公平调度，会将CPU时间分片，轮流分给每个进程，若进程的时间片耗尽了，会被系统挂起，强制切换到其他正在等待CPU的进程；
• 当有更高优先级的进程运行时，为了保证高优先级进程的运行，会把当前进程挂起，由高优先级进程运行；
• 当发生硬件中断时，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。

如何减少上下文切换

• 无锁并发编程。 多线程竞争锁时会引起上下文切换，所以多线程处理数据时，可以用一些方法避免使用锁，比如将数据的ID按照hash算法，取模分段，不同的线程处理不同段的数据。
• CAS算法。 使用Java中Atomic包中的CAS算法更新数据，不需要使用锁。
• 使用最少线程。 避免创建不需要的线程。
• 使用协程。 在单线程里实现多任务调度，并在单线程里维持多个任务的切换。

参考：上下文切换总结 - 掘金 (juejin.cn)