上下文切换指的是操作系统将当前正在执行的进程或线程的执行状态（即“上下文”）保存下来，然后加载下一个要执行的进程或线程的执行状态。

进程上下文：包括 CPU 寄存器值、程序计数器、堆栈指针、进程状态等。

线程上下文：线程上下文相较于进程上下文更加轻量，通常只包括寄存器值、程序计数器和栈指针等。

上下文切换通常发生在以下几种情况：

时间片耗尽：时间片轮转调度时，当前线程的时间片到期，需要切换到另一个线程。

I/O 阻塞：当前进程等待 I/O 操作时，操作系统会将其暂停并切换到其他进程执行。

高优先级任务：如果有高优先级的任务到来，操作系统可能会中断当前任务，进行上下文切换，优先执行高优先级任务。

进程挂起：进程因某些原因挂起时，操作系统会进行上下文切换。

上下文切换的基本过程如下：

保存当前任务的状态：

操作系统首先将当前正在执行的进程（或线程）的所有状态保存到进程控制块（PCB）或线程控制块（TCB）中。这些状态包括：CPU 寄存器、程序计数器（PC）、堆栈指针、程序状态字（PSW）等。

调度下一个任务：

操作系统选择一个新的进程或线程进行执行，通常是根据调度算法选择一个任务（例如，时间片轮转、优先级调度等）。

恢复下一个任务的状态：

操作系统从新任务的 PCB 或 TCB 中恢复其执行状态，包括 CPU 寄存器、程序计数器、堆栈指针等。

执行新的任务：

系统将控制权交给新的进程或线程，开始执行其指令。

上下文切换是计算机系统中非常常见的操作，但它也会带来一定的代价。上下文切换的代价主要体现在以下几个方面：

CPU 寄存器的保存与恢复：

每次切换时，都需要将当前任务的寄存器值保存到内存中，并将下一个任务的寄存器值从内存中恢复到 CPU 中。这个过程消耗了 CPU 时间。

内存管理的开销：

上下文切换可能涉及到虚拟内存的管理，如进程切换时可能需要加载新的页表，或者切换到不同的内存空间。

缓存失效：

上下文切换时，当前任务的缓存内容会被丢弃，新的任务可能无法立即利用缓存中的数据，这会导致缓存失效，影响性能。

中断处理和调度开销：

上下文切换通常需要中断处理程序来保存和恢复上下文，同时进行调度计算，这些操作本身会消耗时间。

综上所述，上下文切换会增加系统的运行开销，影响系统的吞吐量和响应时间。

为了减少上下文切换的开销，操作系统通常会采用以下一些优化方法：

减少不必要的上下文切换：

线程和进程的亲和性（CPU Affinity）：

提高系统的调度效率：

减少 I/O 阻塞：

进程上下文切换：由于进程之间有独立的地址空间，每次进程间的上下文切换需要保存和恢复较多的状态信息（如页表、内存映射、I/O 状态等）。因此，进程上下文切换的代价较高。

线程上下文切换：线程之间共享同一进程的地址空间，因此，线程之间的上下文切换仅涉及到少量的状态保存和恢复，代价较低。

频繁的上下文切换会导致性能下降，尤其是在任务粒度较小的情况下，每个任务占用的 CPU 时间较短时，系统的上下文切换次数会显著增加，导致性能瓶颈。因此，在设计并发程序时，应该尽量避免频繁的上下文切换。

假设系统中有多个线程竞争 CPU 资源，如果频繁发生上下文切换，每个线程无法长时间占用 CPU 进行计算，反而浪费了大量的时间进行状态保存和恢复，导致 CPU 利用率下降，系统的总体性能受到影响。