为什么线程切换开销大_线程切换成本高原因

1. Unix/Linux的体系架构

从宏观上来看，Linux操作系统的体系架构分为用户态和内核态（或者用户空间和内核）。内核从本质上看是一种软件，它控制计算机的硬件资源，并提供上层应用程序运行的环境。用户态即上层应用程序的活动空间，应用程序的执行必须依托于内核提供的资源，包括CPU资源、存储资源、I/O资源等。为了使上层应用能够访问到这些资源，内核必须为上层应用提供访问的接口：即系统调用。

系统调用是操作系统的最小功能单位，每个系统调用都会实现一个简单的操作。在应用程序中可以调用所需的系统调用来完成任务，但是对于复杂的任务，需要频繁地调用大量的系统调用，这势必会增加程序员的负担。库函数正是为了将程序员从复杂的细节中解脱出来而提出的一种有效方法。它实现对系统调用的封装，将简单的业务逻辑接口呈现给用户，方便用户调用。这样的一种组成方式极大增强了程序设计的灵活性，对于简单的操作，我们可以直接调用系统调用来访问资源，对于复杂操作，我们借助于库函数来实现。

2. 用户态和内核态

内核态和用户态的概念，是操作系统为了有效实现CPU的权限分级和数据隔离而提出的。因为系统的资源是有限的，如果用户都去随意地访问和使用这些资源，会造成冲突和混乱。为了使得程序在系统上正常运行，Unix/Linux对不同的操作赋予不同的权限等级，Linux操作系统中主要采用了0和3两个特权级，分别对应内核态和用户态。运行于用户态的进程可以执行的操作和访问的资源都会受到极大的限制，而运行在内核态的进程则可以执行任何操作并且在资源的使用上没有限制。在用户态运行的程序，在运行过程中，一些操作需要内核的权限才能执行，这是就会涉及到一个从用户态切换到内核态的过程。

3. 线程切换的开销

我们都知道，线程切换会带来开销，如果频繁进行线程切换，所造成的开销是相当可观的。那么为什么线程切换会有开销呢，有哪些开销呢？这里涉及几个概念：CPU上下文切换、线程上下文切换、特权模式切换（内核态和用户态的互相转换）。

CPU上下文切换

在多任务操作系统中，对于一个CPU而言，它并不是一直为一个任务服务直到任务结束的，而是在不同的任务之间切换，使得多个任务轮流使用CPU。而在每个任务运行前，CPU都需要知道任务从哪里加载、此时的状态、从哪里开始运行，也就是说，需要系统事先帮它设置好CPU寄存器和程序计数器，这些内容就是CPU上下文。

稍微详细描述一下，CPU上下文切换可以认为是内核在 CPU 上对于进程（包括线程）进行以下的活动：（1）挂起一个进程，将这个进程的CPU 上下文存储于内存中的某处，（2）在内存中检索下一个进程的上下文并将其在 CPU 的寄存器中恢复，（3）跳转到程序计数器所指向的位置（即跳转到进程被中断时的代码行），以恢复该进程。

CPU上下文切换的分为几个不同的场景：进程上下文切换，线程上下文切换，中断上下文切换

线程上下文切换

当从一个线程切换到另一个线程时，不仅会发生线程上下文切换，还会发生特权模式切换。

首先，既然是线程切换，那么一定涉及线程状态的保存和恢复，包括寄存器、栈等私有数据。另外，线程的调度是需要内核级别的权限的（操作CPU和内存），也就是说线程的调度工作是在内核态完成的，因此会有一个从用户态到内核态的切换。而且，不管是线程本身的切换还是特权模式的切换，都要进行CPU的上下文切换。本质上都是从“一段程序”切换到了“另一段程序”，都要设置相应的CPU上下文。要明确一个问题，那就是内核也是有代码的，只是这些代码的机密性比较高，我们用户态无法访问。（要理清这几个概念的关系）

总结来说，线程切换过程包括：线程上下文的保存和恢复，用户态和内核态的转换，CPU上下文的切换，这些工作都需要CPU去完成，是一笔不小的开销

参考文章

linux体系架构

CPU上下文切换详解

深入理解CPU上下文切换

Linux | 用户态和内核态的切换耗费时间的原因

怎样去理解Linux用户态和内核态？

写给Java程序员看的，CPU 上下文切换、用户态、内核态、进程与线程上下文切换（转）