cpu上下文切换
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一个占用内存较高的java程序，导致问题的根本原因是内存不足，但是反映最直观的可能是cpu使用率很高。因为java开启了大量的线程进行GC操作。进而导致cpu使用率高，平均负载也随之升高。所以问题的关键还是追根溯源。再比如进程在竞争CPU的时候并没有真正的运行，但是为什么还会导致系统平均负载升高，这就是上下文切换导致的了。
CPU上下文切换
Linux 是一个多任务的操作系统，它支持远大于CPU数量的任务同时运行，当然并不是真正的同时运行，是每个任务轮流执行CPU分给他们的时间片，让人感觉是同时在运行。
每一个任务运行前，CPU都需要知道任务从哪里加载，又从哪里运行，也就是说，需要系统事先设置好CPU寄存器。
CPU寄存器包含指令寄存器(IR)和程序计数器(PC)。他们用来暂存指令，数据和地址，程序运行的下一条指令地址，这些都是任务运行时的必要环境。因此也被称作CPU上下文
上下文切换就是把前一个任务的CPU上下文保存起来，然后加载新任务的上下文到这些指令寄存器(IR)和程序寄存器(PC)等寄存器中。这些被保存下来的上下文会存储在操作系统的内核中，等待任务重新调度执行时再次加载进来，这样就能保证任务的原来状态不受影响，让任务看起来是连续运行的。
根据场景不同，CPU的上下文切换又分为进程上下文切换，线程上下文切换以及中断上下文切换。
进程上下文切换
在介绍进程上下文切换前，需要先了解进程执行过程中所涉及到的CPU上下文切换，我们称之为特权模式切换。
Linux 按照特权等级，将进程的运行空间分为内核空间和用户空间。对应的是CPU的环0（Ring 0） 和 环3（Ring3）。(环2和环1，Linux没用到)
内核空间（Ring0）具有最高权限，可以访问所有资源。
用户空间（Ring3）只能访问受限资源，想要访问物理设备需要陷入内核态中，在内核空间(Ring3)中，才可以访问特权资源。
那么从用户态到内核态的转变就发生一次特权模式切换，如从磁盘上读取一个文件，就发生了一次内核调用，也就发生一次特权模式切换。CPU需要将寄存器中的用户态的指令位置保存起来，截至执行内核态的代码，CPU寄存器需要更新为内核态的新位置，最后跳转到内核态执行内核调用。之后再恢复之前的用户态。这样的一次系统调用过程实际上发生了两次CPU上下文切换。
那这就是进程上下文切换吗？不是的，进程上下文切换只是说一个进程切换到另一个进程上去。
特权模式切换和进程上下文切换有什么区别吗？
首先进程的管理是有内核进行管理和调度的。进程的切换只能发生在内核态，所以，进程的上下文切换不仅仅包括了虚拟内存，栈，全局变量等用户空间资源，还包括了内核态堆栈，寄存器等内核空间状态。
特别需要注意的是操作系统会将当前任务的虚拟内存一并保存。而Linux中通过TLB来管理虚拟内存到物理内存的映射关系。TLB用于虚拟地址与实地址之间的交互，提供一个寻找实地址的缓存区，能够有效减少寻找物理地址所消耗时间。当虚拟内存被刷新后，TLB也会被更新。如果没有TLB，则每次取数据都需要两次访问内存，即查页表获得物理地址和取数据。在多核的技术下，这会极大的降低程序的执行效率。因为缓存L3 Cache 是被所有核共享的。当TLB被更新后，缓存中的TLB数据会失效，每个CPU都需要从主存中重新载入，一个进程的上下文切换，同时可能影响其他CPU核心上的进程的执行效率。
当需要进程调度的时候，会需要切换上下文，Linux为每个CPU维护一个就绪队列，将活跃的进程按照优先级和等待CPU的时间排序，然后选择需要CPU的进程（优先级高或者等待时间最长的进程）来运行。
什么时候会发生进程调度？
进程的CPU时间片耗尽，被系统挂起，切换到其他等待CPU的进程运行。
进程所需要的系统资源不足。要等待资源满足后才可以运行。这个时候会被系统挂起。
进程通过sleep函数主动将自己挂起。
当有优先级更高的进程运行时，当前进程会被挂起，由高优先级的进程运行。
硬中断发生时，CPU上的进程会被挂起，转而执行内核的中断服务程序。
线程上下文切换
线程的上下文切换就十分的简单了，线程是调度的基本单位，而进程是资源拥有的基本单位。
当进程只有一个线程时，进程可理解就是线程。当进程拥有多个线程时，线程会共享虚拟内存和全局变量等资源，这些资源在上下文切换中不需要修改。
线程的上下文切换也需要保存自己的一些数据，比如栈，寄存器。这些在上下文切换时是需要保存的。也就是当
1、两个不同进程的线程上下文切换时，此时的切换构成和进程上下文切换一样。
2、两个线程处于同一进程时，切换只需要切换栈，寄存器等少部分资源。
中断上下文切换
中断时为了快速响应硬件事件的，跟进程上下文不同，中断上下文不涉及进程的用户态。即便打断的是一个用户态的进程，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。中断上下文只包括内核态中断服务程序执行必需的状态。CPU寄存器，内核堆栈，硬件中断参数。
CPU上下文切换
Linux 是一个多任务的操作系统，它支持远大于CPU数量的任务同时运行，当然并不是真正的同时运行，是每个任务轮流执行CPU分给他们的时间片，让人感觉是同时在运行。
每一个任务运行前，CPU都需要知道任务从哪里加载，又从哪里运行，也就是说，需要系统事先设置好CPU寄存器。
CPU寄存器包含指令寄存器(IR)和程序计数器(PC)。他们用来暂存指令，数据和地址，程序运行的下一条指令地址，这些都是任务运行时的必要环境。因此也被称作CPU上下文
上下文切换就是把前一个任务的CPU上下文保存起来，然后加载新任务的上下文到这些指令寄存器(IR)和程序寄存器(PC)等寄存器中。这些被保存下来的上下文会存储在操作系统的内核中，等待任务重新调度执行时再次加载进来，这样就能保证任务的原来状态不受影响，让任务看起来是连续运行的。
根据场景不同，CPU的上下文切换又分为进程上下文切换，线程上下文切换以及中断上下文切换。
进程上下文切换
在介绍进程上下文切换前，需要先了解进程执行过程中所涉及到的CPU上下文切换，我们称之为特权模式切换。
Linux 按照特权等级，将进程的运行空间分为内核空间和用户空间。对应的是CPU的环0（Ring 0） 和 环3（Ring3）。(环2和环1，Linux没用到)
内核空间（Ring0）具有最高权限，可以访问所有资源。
用户空间（Ring3）只能访问受限资源，想要访问物理设备需要陷入内核态中，在内核空间(Ring3)中，才可以访问特权资源。
那么从用户态到内核态的转变就发生一次特权模式切换，如从磁盘上读取一个文件，就发生了一次内核调用，也就发生一次特权模式切换。CPU需要将寄存器中的用户态的指令位置保存起来，截至执行内核态的代码，CPU寄存器需要更新为内核态的新位置，最后跳转到内核态执行内核调用。之后再恢复之前的用户态。这样的一次系统调用过程实际上发生了两次CPU上下文切换。
那这就是进程上下文切换吗？不是的，进程上下文切换只是说一个进程切换到另一个进程上去。
特权模式切换和进程上下文切换有什么区别吗？
首先进程的管理是有内核进行管理和调度的。进程的切换只能发生在内核态，所以，进程的上下文切换不仅仅包括了虚拟内存，栈，全局变量等用户空间资源，还包括了内核态堆栈，寄存器等内核空间状态。
特别需要注意的是操作系统会将当前任务的虚拟内存一并保存。而Linux中通过TLB来管理虚拟内存到物理内存的映射关系。TLB用于虚拟地址与实地址之间的交互，提供一个寻找实地址的缓存区，能够有效减少寻找物理地址所消耗时间。当虚拟内存被刷新后，TLB也会被更新。如果没有TLB，则每次取数据都需要两次访问内存，即查页表获得物理地址和取数据。在多核的技术下，这会极大的降低程序的执行效率。因为缓存L3 Cache 是被所有核共享的。当TLB被更新后，缓存中的TLB数据会失效，每个CPU都需要从主存中重新载入，一个进程的上下文切换，同时可能影响其他CPU核心上的进程的执行效率。
当需要进程调度的时候，会需要切换上下文，Linux为每个CPU维护一个就绪队列，将活跃的进程按照优先级和等待CPU的时间排序，然后选择需要CPU的进程（优先级高或者等待时间最长的进程）来运行。
什么时候会发生进程调度？
进程的CPU时间片耗尽，被系统挂起，切换到其他等待CPU的进程运行。
进程所需要的系统资源不足。要等待资源满足后才可以运行。这个时候会被系统挂起。
进程通过sleep函数主动将自己挂起。
当有优先级更高的进程运行时，当前进程会被挂起，由高优先级的进程运行。
硬中断发生时，CPU上的进程会被挂起，转而执行内核的中断服务程序。
线程上下文切换
线程的上下文切换就十分的简单了，线程是调度的基本单位，而进程是资源拥有的基本单位。
当进程只有一个线程时，进程可理解就是线程。当进程拥有多个线程时，线程会共享虚拟内存和全局变量等资源，这些资源在上下文切换中不需要修改。
线程的上下文切换也需要保存自己的一些数据，比如栈，寄存器。这些在上下文切换时是需要保存的。也就是当
1、两个不同进程的线程上下文切换时，此时的切换构成和进程上下文切换一样。
2、两个线程处于同一进程时，切换只需要切换栈，寄存器等少部分资源。
中断上下文切换
中断时为了快速响应硬件事件的，跟进程上下文不同，中断上下文不涉及进程的用户态。即便打断的是一个用户态的进程，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。中断上下文只包括内核态中断服务程序执行必需的状态。CPU寄存器，内核堆栈，硬件中断参数。
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