用户态和内核态之间的切换

1. 切换方式

从用户态到内核态切换可以通过三种方式，或者说会导致从用户态切换到内核态的操作：

系统调用，这个上面已经讲解过了，在我公众号之前的文章也有讲解过。其实系统调用本身就是中断，但是软件中断，跟硬中断不同。系统调用机制是使用了操作系统为用户特别开放的一个中断来实现，如 Linux 的 int 80h 中断。
异常：如果当前进程运行在用户态，如果这个时候发生了异常事件，会触发由当前运行进程切换到处理此异常的内核相关进程中
外围设备中断：外围设备完成用户请求的操作之后，会向CPU发出中断信号，这时CPU会转去处理对应的中断处理程序。

2. 代价何在

当发生用户态到内核态的切换时，会发生如下过程（本质上是从“用户程序”切换到“内核程序”）

设置处理器至内核态。
保存当前寄存器（栈指针、程序计数器、通用寄存器）。
将栈指针设置指向内核栈地址。
将程序计数器设置为一个事先约定的地址上，该地址上存放的是系统调用处理程序的起始地址。

而之后从内核态返回用户态时，又会进行类似的工作。
3. 如何避免频繁切换

用户态和内核态之间的切换有一定的开销，如果频繁发生切换势必会带来很大的开销，所以要想尽一切办法来减少切换。这也是面试常考的问题。

3.1 减少线程切换

因为线程的切换会导致用户态和内核态之间的切换，所以减少线程切换也会减少用户态和内核态之间的切换。那么如何减少线程切换呢？

无锁并发编程。多线程竞争锁时，加锁、释放锁会导致比较多的上下文切换。（为什么加锁和释放锁会导致上下文切换，看文末的补充解释）
CAS算法。使用CAS避免加锁，避免阻塞线程
使用最少的线程。避免创建不需要的线程
协程。在单线程里实现多任务的调度，并在单线程里维持多个任务间的切换

3.2 一个面试问题

I/O 频繁发生内核态和用户态切换，怎么解决。

首先要同意这个说法，即I/O会导致系统调用，从而导致内核态和用户态之间的切换。因为对I/O设备的操作是发生在内核态。那如何减少因为I/O导致的系统调用呢？答案是：使用户进程缓冲区。下面解释一下原因

用户进程缓冲区

你看一些程序在读取文件时，会先申请一块内存数组，称为buffer，然后每次调用read，读取设定字节长度的数据，写入buffer。之后的程序都是从buffer中获取数据，当buffer使用完后，在进行下一次调用，填充buffer。所以说：用户缓冲区的目的就是是为了减少系统调用次数，从而降低操作系统在用户态与核心态切换所耗费的时间。除了在进程中设计缓冲区，内核也有自己的缓冲区。

内核缓存区

当一个用户进程要从磁盘读取数据时，内核一般不直接读磁盘，而是将内核缓冲区中的数据复制到进程缓冲区中。但若是内核缓冲区中没有数据，内核会把对数据块的请求，加入到请求队列，然后把进程挂起，为其它进程提供服务。等到数据已经读取到内核缓冲区时，把内核缓冲区中的数据读取到用户进程中，才会通知进程，当然不同的IO模型，在调度和使用内核缓冲区的方式上有所不同。

小结

图中的read，write和sync都是系统调用。read是把数据从内核缓冲区复制到进程缓冲区。write是把进程缓冲区复制到内核缓冲区。当然，write并不一定导致内核的缓存同步动作sync，比如OS可能会把内核缓冲区的数据积累到一定量后，再一次性同步到磁盘中。这也就是为什么断电有时会导致数据丢失。所以说内核缓冲区，可以在OS级别，提高磁盘IO效率，优化磁盘写操作。
4. 补充解释

为什么加锁和释放锁会导致上下文切换

Synchronized是通过对象内部的一个叫做监视器锁（monitor）来实现的。但是监视器锁本质又是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock来实现的。但是由于使用Mutex Lock需要将当前线程挂起并从用户态切换到内核态来执行，这种切换的代价是非常昂贵的因此，这种依赖于操作系统Mutex Lock所实现的锁我们称之为“重量级锁”。
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原文链接：https://blog.csdn.net/qq_42052956/article/details/111562280