先说结论：协程切换比线程切换快主要有两点：

（1）协程切换完全在用户空间进行，线程切换涉及特权模式切换，需要在内核空间完成；（2）协程切换相比线程切换做的事情更少。

协程切换只涉及基本的CPU上下文切换，所谓的 CPU 上下文，就是一堆寄存器，里面保存了 CPU运行任务所需要的信息：从哪里开始运行（%rip：指令指针寄存器，标识 CPU 运行的下一条指令），栈顶的位置（%rsp： 是堆栈指针寄存器，通常会指向栈顶位置），当前栈帧在哪（%rbp 是栈帧指针，用于标识当前栈帧的起始位置）以及其它的CPU的中间状态或者结果（%rbx，%r12，%r13，%14，%15 等等）。协程切换非常简单，就是把当前协程的 CPU 寄存器状态保存起来，然后将需要切换进来的协程的 CPU 寄存器状态加载的 CPU 寄存器上就 ok 了。而且完全在用户态进行，一般来说一次协程上下文切换最多就是几十ns 这个量级。

一、函数栈

我们知道，在函数执行过程中，其实就是在一块栈空间内运行罢了。这个栈空间由rsp、rbp（寄存器）指针来指定两端范围。函数中的局部变量的都会存放在栈中某一块内存中。

函数调用无非是从一个函数栈跳转到相邻另一个函数栈罢了，只是由于调用返回后还需恢复原函数栈的状态，因此必须在调用时通过寄存器和栈空间的配合来存储一些数据，方便调用完成后恢复。

会通过一个例子来详细的说明函数调用的过程。

首先是一个非常简单的C文件

int add(int a, int b) {
    return a+b;
}
 
int main() {
    int a = 1;
    int b = 2;
    int x = add(a, b);
    return 0;
}

在64位的Linux系统下，通过gcc编译器将其编译为汇编文件。

gcc -S add.c -o add.S
// -S参数说明只编译、不汇编。因此生成的文件就是汇编代码

去除掉一些编译器附加的额外信息，保留主要的汇编代码，并手动添加注释后如下:

add:
	pushq	%rbp            ; 将main函数的rbp所存值压入栈
	movq	%rsp, %rbp      ; rsp的值赋值给rbp
	movl	%edi, -4(%rbp)  ; 取第1个参数
	movl	%esi, -8(%rbp)  ; 取第二个参数
	movl	-8(%rbp), %eax
	movl	-4(%rbp), %edx
	addl	%edx, %eax
	popq	%rbp            ; 栈中弹出main函数栈的rbp地址，赋值给rbp寄存器，即恢复main函数的rbp
	ret                     ; 把main函数的返回地址赋值给rip寄存器，下一步CPU会调到该地址的指令执行
 
main:
	pushq	%rbp            ; main上级函数rbp指针值压入栈
	movq	%rsp, %rbp      ; 把rsp寄存器值赋值给rbp寄存器
	subq	$16, %rsp       ; rsp指针下移16，为main函数栈预留空间
	movl	$1, -4(%rbp)    ; 为变量a赋值1
	movl	$2, -8(%rbp)    ; 为变量b赋值2
	movl	-8(%rbp), %edx
	movl	-4(%rbp), %eax
	movl	%edx, %esi      ; 变量b赋值给esi寄存器，即第2个参数
	movl	%eax, %edi      ; 变量a赋值给edi寄存器，即第二个参数
	call	add             ; 调用add函数，此步骤会将main函数的返回地址压入栈，然后将add函数入口地址赋值给rip寄存器，下一步CPU就会执行到add函数
	movl	%eax, -12(%rbp) ; add函数返回后，结果存放在rax寄存器中，将其赋值给变量x
	movl	$0, %eax        ; rax清零
	leave                  
	ret

二、什么是协程？协程与线程的关系是什么？

提到协程就不得不提线程这个概念。我们都知道线程其实就是一段子程序，一个进程就是由多个线程来组成（类似将一个任务分割为多个子任务）。由于操作系统调度的最小单位是线程，当操作系统调度到某个线程时，去执行这段子程序就行了。

然而线程的执行也不是一帆风顺的，当线程执行过程中发生了阻塞（这里主要是阻塞IO操作），那么这个线程就会一直休眠直到条件就绪才会被重新调度执行。

那有没有办法让线程不休眠呢？

可以！我们假设存在一个任务池，里面包括很多个小任务。而线程就是去执行任务池中的某几个任务，当线程在执行其中某个任务时过程中发现IO条件未就绪时，该线程可以主动跳转去执行其他的任务；而当IO条件就绪后，线程又会跳回到之前的任务继续执行。这样线程就不因为阻塞在IO上而休眠了。而这些小任务就被称为协程。

当然，从以上过程可以看出，在单个线程中，协程一定是串行执行的，不可能存在一个线程同时在执行多个协程的情况。

线程的切换是操作系统实现的，此操作是会陷入内核态的，这无疑造成了一定程度的消耗。当程序中出现了大量的线程切换时，这对系统的损耗是难以接受的。因此线程的数量需要严格控制。

而协程正好也恰好可以解决这些问题。协程可以看作是轻量级的线程，也是用户态的线程。

用户态是指协程的切换完全是在用户态进行的，而不会陷入内核。协程的调度完全取决于用户的实现方式，而与操作系统的调度无关。

轻量级是指协程通常只需要一个小空间的栈就足够了，比如128k空间就足够了。因此，相比对线程而言，在操作系统中可以创建更多的协程用于多任务处理。

而且协程的切换是在用户态的，不会陷入内核，因此协程切换的开销也是相当小的。后面会讲到，协程的切换无非是改变几个寄存器的值即可。

正是因为协程的这种特性，使得协程更加适用于IO密集型的任务中，因为IO通常会伴随着大量的阻塞等待过程，而使用协程就可以在IO阻塞的同时让出CPU，而当IO就绪后再主动抢占CPU即可。

现如今，很多语言都实现了自己的协程库，如GO语言的Goroutine、C++20推出的无栈协程等等。

三、协程上下文

前面也说了协程不过是一段子程序(其实也就是个函数)罢了，因此只要保存下当前的函数栈状态、寄存器值，就可以描述出这个协程的全部状态，这个结构被称为协程上下文。

协程上下文其实就是保存了当前所有寄存器的值，这些寄存器描述了当前的函数栈，程序执行状态等信息。

struct coctx_t
{
	void *regs[ 14 ];       // 一个数组，保存了14个寄存器的值 
	size_t ss_size;         // 协程栈大小
	char *ss_sp;            // 协程栈指针
};

可以看到，在coctx_t这个结构体中。ss_size和ss_sp则描述了协程的栈空间大小。regs是一个数组，保存着14个寄存器当前的值。

四、协程切换

有了协程上下文之后，协程切换就很容易理解了。协程切换只需要两步就够了：

1. 保存当前寄存器的值到协程上下文中的regs数组；
2. 将新协程上下文的regs数组中值取出来赋值给对应的寄存器

完成这两步后，就切换到新的协程的函数栈上了。接下来就会在新的协程中运行了。

参考：协程篇（二）-- 协程切换篇 - 知乎

为什么协程切换的代价比线程切换低? - 知乎