什么是 CPU 上下文

Linux 是一个多任务操作系统,它支持远大于 CPU 数量的任务同时运行。当然,这些任务实际上并不是真的在同时运行,而是因为系统在很短的时间内,将 CPU 轮流分配给它们,造成多任务同时运行的错觉。而在每个任务运行前,CPU 都需要知道任务从哪里加载、又从哪里开始运行,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(Program Counter,PC)。

CPU 寄存器,是 CPU 内置的容量小、但速度极快的内存。而程序计数器,则是用来存储 CPU 正在执行的指令位置、或者即将执行的下一条指令位置。它们都是 CPU 在运行任何任务前,必须的依赖环境,因此也被叫做 CPU 上下文。

CPU 上下文切换,是保证 Linux 系统正常工作的核心功能之一,一般情况下不需要我们特别关注。

但过多的上下文切换,会把 CPU 时间消耗在寄存器、内核栈以及虚拟内存等数据的保存和恢复上,从而缩短进程真正运行的时间,导致系统的整体性能大幅下降。

CPU 上下文切换分类

CPU 上下文切换,就是先把前一个任务的 CPU 上下文(也就是 CPU 寄存器和程序计数器)保存起来,然后加载新任务的上下文到这些寄存器和程序计数器,最后再跳转到程序计数器所指的新位置, 运行新任务。

根据任务的不同,CPU 的上下文切换就可以分为 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

Linux 按照特权等级,把进程的运行空间分为内核空间和用户空间,CPU 特权等级的 Ring 0 和 Ring 3。

内核空间(Ring 0)具有最高权限,可以直接访问所有资源; 用户空间(Ring 3)只能访问受限资源,不能直接访问内存等硬件设备,必须通过系统 调用陷入到内核中,才能访问这些特权资源。

进程既可以在用户空间运行,又可以在内核空间中运行。进程在用户空间运行时,被称为进程的用户态,而陷入内核空间的时候,被称为进程的内核态。

从用户态到内核态的转变,需要通过 系统调用 来完成。比如,当我们查看文件内容时,就需要多次系统调用来完成:首先调用 open() 打开文件,然后调用 read() 读取文件内容,并调用 write() 将内容写到标准输出,最后再调用 close() 关闭文件。

系统调用的过程也会发生 CPU 上下文的切换

CPU 寄存器里原来用户态的指令位置,需要先保存起来。接着,为了执行内核态代码,CPU 寄存器需要更新为内核态指令的新位置。最后才是跳转到内核态运行内核任务。

而系统调用结束后,CPU 寄存器需要 恢复原来保存的用户态,然后再切换到用户空间,继续运行进程。所以, 一次系统调用的过程,其实是发生了两次 CPU 上下文切换

需要注意的是,系统调用过程中,并不会涉及到虚拟内存等进程用户态的资源,也 不会切换进程。这跟我们通常所说的进程上下文切换是不一样的: 进程上下文切换,是指从一个进程切换到另一个进程运行。而系统调用过程中一直是同一个进程在运行 。所以,系统调用过程通常称为特权模式切换,而不是上下文切换。但实际上,系统调用过程中,CPU 的上下文切换还是无法避免的。

进程在什么时候才会被调度到 CPU 上运行

最容易想到的一个时机,就是进程执行完终止了,它之前使用的 CPU 会释放出来,这个时候再从就绪队列里,拿一个新的进程过来运行。其实还有很多其他场景,也会触发进程调度

其一,为了保证所有进程可以得到公平调度,CPU 时间被划分为一段段的时间片,这些时间片再被轮流分配给各个进程。这样,当某个进程的时间片耗尽了,就会被系统挂起,切换到其它正在等待 CPU 的进程运行。

其二,进程在系统资源不足(比如内存不足)时,要等到资源满足后才可以运行,这个时 候进程也会被挂起,并由系统调度其他进程运行。

其三,当进程通过睡眠函数 sleep 这样的方法将自己主动挂起时,自然也会重新调度。

其四,当有优先级更高的进程运行时,为了保证高优先级进程的运行,当前进程会被挂 起,由高优先级进程来运行。

最后一个,发生硬件中断时,CPU 上的进程会被中断挂起,转而执行内核中的中断服务程序。

了解这几个场景是非常有必要的,因为一旦出现上下文切换的性能问题,它们就是幕后凶 手。

线程上下文切换

线程与进程最大的区别在于,线程是调度的基本单位,而进程则是资源拥有的基本单位。说白了,所谓内核中的任务调度,实际上的调度对象是线程;而进程只是给线程提供了虚拟内存、全局变量等资源。

所以,对于线程和进程,我们可以这么理解:当进程只有一个线程时,可以认为进程就等于线程。当进程拥有多个线程时,这些线程会共享相同的虚拟内存和全局变量等资源。这些资源在上下文切换时是不需要修改的。另外,线程也有自己的私有数据,比如栈和寄存器等,这些在上下文换时也是需要保存的。

线程的上下文切换其实就可以分为两种情况:

第一种, 前后两个线程属于不同进程。此时,因为资源不共享,所以切换过程就跟进程上下文切换是一样。

第二种,前后两个线程属于同一个进程。此时,因为虚拟内存是共享的,所以在切换时, 虚拟内存这些资源就保持不动,只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据。

虽然同为上下文切换,但同进程内的线程切换,要比多进程间的切换消耗更少的资源,而这,也正是多线程代替多进程的一个优势。

中断上下文切换

为了快速响应硬件的事件,中断处理会打断进程的正常调度和执行,转而调用中断处理程序,响应设备事件。而在打断其他进程时,就需要将进程当前的状态保存下来,这样在中断结束后,进程仍然可以从原来的状态恢复运行。

跟进程上下文不同,中断上下文切换并不涉及到进程的用户态。所以,即便中断过程打断了一个正处在用户态的进程,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,其实只包括内核态中断服务程序执行所必需的状态,包括 CPU 寄存器、内核堆栈、硬件中断参数等。

对同一个 CPU 来说,中断处理比进程拥有更高的优先级,所以中断上下文切换并不会与进程上下文切换同时发生。同样道理,由于中断会打断正常进程的调度和执行,所以大部分中断处理程序都短小精悍,以便尽可能快的执行结束。

怎么查看系统的上下文切换情况

vmstat 是一个常用的系统性能分析工具,主要用来分析系统的内存使用情况,也常用来分 析 CPU 上下文切换和中断的次数。

下面就是一个 vmstat 的使用示例:

vmstat 5 #每隔 5 秒输出 1 组数据
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
 r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st
 0  0      0 1293264 180568 2046324    0    0     0     5    2    8  1  0 99  0  0

结果含义说明

  • cs(context switch)是每秒上下文切换的次数。

  • in(interrupt)则是每秒中断的次数。

  • r(Running or Runnable)是就绪队列的长度,也就是正在运行和等待 CPU 的进程数。

  • b(Blocked)则是处于不可中断睡眠状态的进程数。

可以看到,这个例子中的上下文切换次数 cs 是 8 次,而系统中断次数 in 则是 2 次,而 就绪队列长度 r 和不可中断状态进程数 b 都是 0。

vmstat 只给出了系统总体的上下文切换情况,要想查看每个进程的详细情况,就需要使用我们前面提到过的 pidstat 了。给它加上 -w 选项,你就可以查看每个进程上下文切换的情况了。

示例:

pidstat -w 5 # 每隔 5 秒输出 1 组数据
Linux 4.4.0-142-generic (10-53-166-171)     07/07/2019     _x86_64_    (2 CPU)

04:05:53 PM   UID       PID   cswch/s nvcswch/s  Command
04:05:58 PM     0         1      1.80      0.00  systemd
04:05:58 PM     0         3      6.39      0.00  ksoftirqd/0
04:05:58 PM     0         7     33.33      0.00  rcu_sched
04:05:58 PM     0         9      0.40      0.00  migration/0
04:05:58 PM     0        10      0.20      0.00  watchdog/0

这个结果中有两列内容是我们的重点关注对象。一个是 cswch ,表示每秒自愿上下文切换 (voluntary context switches)的次数,另一个则是 nvcswch ,表示每秒非自愿上下文切换(non voluntary context switches)的次数。

这两个概念一定要牢牢记住,因为它们意味着不同的性能问题:

自愿上下文切换,是指进程无法获取所需资源,导致的上下文切换。比如说, I/O、内存等系统资源不足时,就会发生自愿上下文切换。

非自愿上下文切换,则是指进程由于时间片已到等原因,被系统强制调度,进而发生的上下文切换。比如说,大量进程都在争抢 CPU 时,就容易发生非自愿上下文切换。

Nick            上次更新 2019-07-11 23:45:09

results matching ""

    No results matching ""

    results matching ""

      No results matching ""