聊聊Linux中CPU上下文切换

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作者：小牛呼噜噜 | https://xiaoniuhululu.com
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什么是CPU上下文

Linux是一个多任务的操作系统，多任务操作系统是指多个进程运行在一个 CPU 中互不打扰，看起来像同时运行一样。多任务的操作系统这样就可以支持远大于CPU数量的任务”同时运行”。但是我们都知道这其实是一个错觉，真正是系统在很短的时间内将CPU轮流执行各个任务，给用户造成多任务”同时运行”的感觉。
其中有一个问题，在每次执行任务之前，CPU必须要知道从哪里加载任务，以及加载后从哪里开始运行，操作系统通过CPU中寄存器和程序计数器配合，来保存和恢复相应进度的信息

CPU 寄存器：CPU 寄存器是 CPU 内置的速度极快的内存；
程序计数器：程序计数器会存储 CPU 正在执行的指令位置，或者即将执行的指令位置。

在任务调度的过程中， 而这些信息都保存在CPU的寄存器中，其中即将执行的下一条指令的地址被保存在程序计数器上。我们将这些信息称为CPU的上下文，也叫硬件上下文。
当某一进程自愿放弃它的 CPU 时间或者系统分配的时间片用完时，就会发生CPU上下文切换。

CPU上下文切换

操作系统OS在切换运行任务时，将上一任务的上下文保存起来，然后加载新任务的上下文到CPU寄存器，最后再跳转到程序计数器所指的新位置上执行新任务的这一动作，被称为CPU上下文切换。

CPU上下文切换的步骤:

  1. 将前一个 CPU 的上下文（也就是 CPU 寄存器和程序计数器里边的内容）保存起来；
  2. 然后加载新任务的上下文到寄存器和程序计数器；
  3. 最后跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务。
  4. 被保存起来的上下文会存储到系统内核中，等待任务重新调度执行时再次加载进来。

CPU 的上下文切换分三种：进程上下文切换、线程上下文切换、中断上下文切换。

上一任务的CPU上下文保存在哪？

我们知道因为CPU过于昂贵，其性能与其他储存设备有数量级的差距，为了充分压榨其性能，计算机将CPU的时间进行分片，让各个程序在CPU上轮转执行，被剥夺执行权的程序，等后面CPU继续执行它的时候，这时需要一个数据结构来保存相关信息，以便之后恢复继续执行，这个其实就是进程。
CPU上下文会被保存在进程的内核空间（kernel space）上。OS在给每个进程分配虚拟内存空间时，会分配一个内核空间，这部分内存只能由内核代码访问。OS在切换CPU上下文前，会先将当前CPU的通用寄存器、PC等进程现场信息保存在进程的内核空间上，待下次切换时，再取出重新装载到CPU上，以恢复任务的运行。

进程上下文切换

内核空间和用户空间

我们知道为了限制不同的指令的访问能力，提升安全，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 。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。

  1. 内核空间(Ring 0)：具有最高权限，可以直接访问所有资源（读取文件）

    常见的内核操作：分配内存、IO操作、创建子进程……

  2. 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，必须通过系统调用进入到内核中，才能访问这些特权资源

    常见的用户态空间程序：数据库、web服务器、shell脚本、Java程序或者其他常见语言的程序……

我们一起看下Linux整体架构图：

top命令查看CPU资源

在linux系统使用top命令查看cpu时，能看到用户态和内核态占用的cpu资源

其中各项数据表示内容：

us 用户空间占用CPU百分比
sy 内核空间占用CPU百分比
ni 用户进程空间内改变过优先级的进程占用CPU百分比
id 空闲CPU百分比
wa 等待输入输出的CPU时间百分比
hi 硬件中断
si 软件中断
st 实时

系统调用

对于一个进程来说，比如web服务的进程，一般是运行在用户态的，但是当需要访问内存、磁盘等硬件设备的时候需要先进入到内核态中，也就是从用户态到内核态的转变，而这种转变需要借助系统调用来实现。系统调用是内核向用户进程提供服务的唯一方法。
比如查看文件时，需要执行多次系统调用：open()打开文件，read()读取文件内容，write()将文件内容输出到控制台，最后close()关闭文件等。
系统调用的过程如下：

  1. 把 CPU 寄存器里原来用户态的指令位置保存起来；
  2. 为了执行内核代码，CPU 寄存器需要更新为内核态指令的新位置，最后跳转到内核态运行内核任务；
  3. 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；

我们可以发现一次系统调用的过程，其实是发生了两次 CPU 上下文切换（用户态-内核态-用户态）。
需要注意的是:系统调用过程中，不涉及虚拟内存等进程用户态的资源，也不会切换进程，也就是系统调用过程中一直是同一个进程在运行。系统调用过程也通常称为特权模式切换。

进程上下文切换 和 系统调用的区别？

  1. 进程上下文切换是指，从一个进程切换到另一个进程；系统调用过程一直是同一个进程在运行，属于进程之内的上下文切换

    需要注意的是：进程是由内核来管理和调度的，进程的切换只能发生在内核态，保存上下文和恢复上下文的过程并不免费，需要消耗一定资源

  1. 进程的上下文不仅包括了虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源，还包括了内核堆栈、寄存器等内核空间的状态。而系统调用这里没有涉及到虚拟内存等这些进程用户态的资源

  2. 因此进程的上下文切换就比系统调用时多了一步：在保存当前进程的内核状态和 CPU 寄存器之前，需要先把该进程的虚拟内存、栈等保存下来；而加载了下一进程的内核态后，还需要刷新进程的虚拟内存和用户栈。

进程切换的常见场景

进程切换时需要切换上下文，换句话说，只有在进程调度的时候，才需要切换上下文。Linux 为每个 CPU 都维护了一个就绪队列，将活跃进程（即正在运行和正在等待 CPU 的进程）按照优先级和等待 CPU 的时间排序，然后选择最需要 CPU 的进程，也就是优先级最高和等待 CPU 时间最长的进程来运行。
进程切换的场景有：

  1. 进程时间片耗尽，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。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。
  2. 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。
  3. 进程通过睡眠函数 sleep 主动把自己挂起，CPU会重新调度；
  4. 当有CPU发现优先级更高的进程运行时，为了去运行高优先级进程，当前进程会被挂起；
  5. 发生硬中断，CPU 上的进程会被挂起，然后去执行内核中的中断服务进程。

线程上下文切换

对操作系统来说，进程是资源分配的基本单位，而线程则是任务调度的基本单位。内核中的任务调度实际是在调度线程，进程只是给线程提供虚拟内存、全局变量等资源。线程上下文切换时，共享相同的虚拟内存和全局变量等资源不需要修改。而线程自己的私有数据，如栈和寄存器等，上下文切换时需要保存。
关于进程和线程的区别：

  • 当进程中只有一个线程时，可以认为进程就等于线程。
  • 当进程拥有多个线程时，这些线程会共享父进程的资源（即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，这些在上下文切换时也是需要保存的。

因此线程上下文切换有两种情况：

  • 前后两个线程属于不同进程，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的；
  • 前后两个线程属于同一个进程，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。

中断上下文切换

上下文切换有时也因硬件中断而触发。硬件中断是指硬件设备（如键盘、鼠标、调试解调器、系统时钟）给内核发送的一个信号，该信号表示一个事件（如按键、鼠标移动、从网络连接接收到数据）发生了。
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，然后调用中断处理程序，响应设备事件。在打断其他进程时，需要先将进程当前的状态保存下来，等中断结束后，进程仍然可以恢复回来。

跟进程上下文不同，中断上下文切换不涉及进程的用户态。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，只包括内核态中断服务程序执行所必需的状态，也就是 CPU 寄存器、内核堆栈、硬件中断参数等。

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须的状态，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不会与进程上下文切换同时发生。并且，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，以便可以尽快完成。

上下文切换的消耗

上下文切换通常是计算密集型的。也就是说，它需要相当可观的处理器时间，在每秒几十上百次的切换中，每次切换都需要纳秒量级的时间。所以，上下文切换对系统来说意味着消耗大量的 CPU 时间，事实上，可能是操作系统中时间消耗最大的操作。
Linux相比与其他操作系统（包括其他类 Unix 系统）有很多的优点，其中有一项就是，其上下文切换和模式切换的时间消耗非常少。

根据Tsuna的测试报告，每次上下文切换都需要几十纳秒到数微妙的CPU时间，这个时间还是相当可观的。
不管是哪种场景导致的上下文切换，你都应该知道：

  1. CPU上下文切换，是保证Linux系统正常工作的核心功能，一般情况下不需要开发人员特别关注。
  2. 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，耗费大量的 CPU，甚至严重降低系统的整体性能。

补充：vmstat命令查看整体CPU上下文切换情况

上面已经介绍到CPU上下文切换分为进程上下文切换、线程上下文切换、中断上下文切换，那么过多的上下文切换会把CPU的时间消耗在寄存器、内核栈以及虚拟内存等数据的保存和恢复上，缩短进程真正运行的时间，成为系统性能大幅下降的一个因素
所以我们可以使用vmstat这个工具来查询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，可以用来分析CPU上下文切换和中断的次数
执行如下的命令：vmstat 5 （每隔5s输出一组数据）

该命令输出信息中，各个字段以及含义：
procs：procs 中有 r 和 b 列，它报告进程统计信息。在上面的输出中，在运行队列（r）中有两个进程在等待 CPU 并有零个休眠进程（b）。通常，它不应该超过处理器（或核心）的数量，如果你发现异常，最好使用 top 命令进一步地排除故障。

  • r：等待运行的进程数。
  • b：休眠状态下的进程数。

memory： memory 下有报告内存统计的 swpd、free、buff 和 cache 列。你可以用 free -m 命令看到同样的信息。在上面的内存统计中，统计数据以千字节表示，这有点难以理解，最好添加 M 参数来看到以兆字节为单位的统计数据。

  • swpd：使用的虚拟内存量。
  • free：空闲内存量。
  • buff：用作缓冲区的内存量。
  • cache：用作高速缓存的内存量。
  • inact：非活动内存的数量。
  • active：活动内存量。

swap：swap 有 si 和 so 列，用于报告交换内存统计信息。你可以用 free -m 命令看到相同的信息。

  • si：从磁盘交换的内存量（换入，从 swap 移到实际内存的内存）。
  • so：交换到磁盘的内存量（换出，从实际内存移动到 swap 的内存）。

I/O：I/O 有 bi 和 bo 列，它以“块读取”和“块写入”的单位来报告每秒磁盘读取和写入的块的统计信息。如果你发现有巨大的 I/O 读写，最好使用 iotop 和 iostat 命令来查看。

  • bi：从块设备接收的块数。
  • bo：发送到块设备的块数。

system：system 有 in 和 cs 列，它报告每秒的系统操作。

  • in：每秒的系统中断数，包括时钟中断。
  • cs：系统为了处理所以任务而上下文切换的数量。

CPU：CPU 有 us、sy、id 和 wa 列，报告（所用的） CPU 资源占总 CPU 时间的百分比。如果你发现异常，最好使用 top 和 free 命令。

  • us：处理器在非内核程序消耗的时间。
  • sy：处理器在内核相关任务上消耗的时间。
  • id：处理器的空闲时间。
  • wa：处理器在等待IO操作完成以继续处理任务上的时间。

补充：pidstat命令查看进程的CPU上下文切换情况

执行如下的命令：pidstat，查看进程的CPU上下文切换情况
如果没有安装，yum install sysstat安装即可

在结果中你能看到如下内容：

  • PID - 被监控的任务的进程号
  • %usr - 当在用户层执行（应用程序）时这个任务的cpu使用率，和 nice 优先级无关。注意这个字段计算的cpu时间不包括在虚拟处理器中花去的时间。
  • %system - 这个任务在系统层使用时的cpu使用率。
  • %guest - 任务花费在虚拟机上的cpu使用率（运行在虚拟处理器）。
  • %CPU - 任务总的cpu使用率。在SMP环境（多处理器）中，如果在命令行中输入-I参数的话，cpu使用率会除以你的cpu数量。
  • CPU - 正在运行这个任务的处理器编号。
  • Command - 这个任务的命令名称。

参考资料：
《Linux内核设计与实现》
《Linux性能优化实战》
http://ifeve.com/context-switch-definition
https://www.it610.com/article/1289356670568308736.htm

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