上下文切换开销#

开销来源：

1. 保存/恢复 CPU 寄存器
2. 进程切换：页表切换 + TLB 失效（无 PCID/ASID 时整体刷新；x86 Linux 4.14 起用 PCID 可保留带标签的表项）
3. Cache 冷启动

量级： 直接开销（进内核、保存恢复、调度）进程和线程都在 1数微秒；进程切换额外的主要代价是 TLB/Cache 冷启动这类间接开销，算上后可到数十微秒，和工作集大小强相关

减少： 协程(用户态调度) / 线程池(复用线程) / IO多路复用(减少线程数)

上下文切换是操作系统在不同执行单元之间切换时保存和恢复 CPU 状态的过程。切换时需要保存当前执行单元的寄存器值、程序计数器、栈指针等到内存中的 PCB 或 TCB，然后加载目标执行单元之前保存的状态。进程切换的开销最大，除了寄存器保存恢复外还需要切换页表，页表切换会导致 TLB 缓存失效（没有 PCID/ASID 时要整体刷新），后续的内存访问都要重新做地址翻译，再加上 CPU Cache 冷启动，算上这些间接开销一次进程切换可能到数十微秒。线程切换的开销小得多，因为同一进程内的线程共享地址空间不需要切换页表，只需要保存恢复线程私有的寄存器和栈，直接开销大约数微秒，但它依然要陷入内核、走调度器。协程切换开销最小，它完全在用户态完成不需要陷入内核，几百纳秒级别。在实际工程中减少上下文切换的常见手段有：使用线程池复用线程避免频繁创建销毁、使用 IO 多路复用减少线程数量、使用协程替代线程、使用无锁数据结构减少锁竞争导致的阻塞切换。可以通过 vmstat 命令的 cs 列监控系统的上下文切换次数。

追问方向：

• “怎么减少上下文切换？”→ 线程池复用线程、IO 多路复用减少线程数、协程替代线程（用户态切换）、无锁数据结构（CAS）减少阻塞切换、CPU 亲和性绑定
• “怎么监控切换次数？”→ vmstat 的 cs 列看系统级切换、pidstat -w 看进程级切换、/proc/PID/status 的 voluntary/nonvoluntary_ctxt_switches
• “自愿和非自愿切换区别？”→ 自愿切换是进程主动让出 CPU（如 IO 等待、sleep），非自愿切换是被调度器强制抢占（时间片用完、高优先级抢占）

易错点：

• ❌ 上下文切换开销可忽略——高频时显著影响性能
• ❌ 线程切换不进内核——内核线程切换同样要陷入内核、走调度器，只是省了换页表；真正不进内核的是协程
• ❌ 进程切换慢主要慢在保存寄存器——寄存器保存只是几十纳秒级，大头是 TLB/Cache 失效后的访存变慢