linux性能优化CPU上下文切换

Posted 2021-07-30 sysu_lluozh

进程在竞争CPU的时候并没有真正运行，为什么还会导致系统的负载升高呢？其实CPU上下文切换就是罪魁祸首

一、上下文切换

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)

1.1 CPU 寄存器

CPU内置的容量小、但速度极快的内存

1.2 程序计数器

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

知道了什么是CPU上下文，那很容易理解 CPU 上下文切换

1.3 CPU上下文切换

CPU上下文切换执行逻辑：

1. 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
2. 然后加载新任务的上下文到这些寄存器和程序计数器
3. 最后再跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务

而这些保存下来的上下文，会存储在系统内核中，并在任务重新调度执行时再次加载进来。这样就能保证任务原来的状态不受影响，让任务看起来还是连续运行

1.4 CPU上下文切换类别

CPU 上下文切换无非就是更新了CPU寄存器的值嘛，而且这些寄存器，本身就是为了快速运行任务而设计的，为什么会影响系统的CPU性能呢？

在回答这个问题前，先弄清楚操作系统管理的这些"任务"到底是什么呢？

大部分人认为任务就是进程，或者说任务就是线程。是的，进程和线程正是最常见的任务，但除此之外，还有没有其他的任务呢？

不要忘了，硬件通过触发信号，会导致中断处理程序的调用，也是一种常见的任务

所以，根据任务的不同，CPU的上下文切换就可以分为几个不同的场景，也就是进程上下文切换、线程上下文切换以及中断上下文切换

接下来说明怎么理解几个不同的上下文切换，以及它们为什么会引发CPU性能相关问题

二、进程上下文切换

2.1 进程的运行空间

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，分别对应着下图中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

2.2 进程的状态

换个角度看，也就是说，进程既可以在用户空间运行，又可以在内核空间中运行

• 用户态

进程在用户空间运行时，被称为进程的用户态

• 内核态

陷入内核空间的时候，被称为进程的内核态

• 状态切换

从用户态到内核态的转变，需要通过系统调用来完成，比如当查看文件内容时，需要多次系统调用来完成：

1. 首先调用 open() 打开文件
2. 接着调用 read() 读取文件内容
3. 然后调用 write() 将内容写到标准输出
4. 最后调用 close() 关闭文件

2.3 系统调用的上下文切换

那么，系统调用的过程有没有发生 CPU 上下文的切换呢？答案自然是肯定的

1. 首先CPU寄存器里原来用户态的指令位置，需要先保存起来
2. 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
3. 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

不过，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
• 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

2.4 上下文切换和系统调用的区别

那么，进程上下文切换跟系统调用又有什么区别呢？

首先需要知道，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
所以， 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

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

2.5 上下文切换的性能问题

如下图所示，保存上下文和恢复上下文的过程并不是"免费"的，需要内核在CPU上运行才能完成

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秒的CPU时间
这个时间还是相当可观的，特别是在进程上下文切换次数较多的情况下，很容易导致CPU将大量时间耗费在寄存器、内核栈以及虚拟内存等资源的保存和恢复上，进而大大缩短了真正运行进程的时间，这也正是导致平均负载升高的一个重要因素

另外，Linux通过TLB(Translation Lookaside Buffer)来管理虚拟内存到物理内存的映射关系，当虚拟内存更新后，TLB也需要刷新，内存的访问也会随之变慢
特别是在多处理器系统上，缓存是被多个处理器共享的，刷新缓存不仅会影响当前处理器的进程，还会影响共享缓存的其他处理器的进程

2.6 何时切换进程上下文

知道了进程上下文切换潜在的性能问题后，再来看究竟什么时候会切换进程上下文

显然，进程切换时才需要切换上下文，换句话说，只有在进程调度的时候，才需要切换上下文

• 就绪队列

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

• 何时调度到CPU

那么，进程在什么时候才会被调度到 CPU 上运行呢？

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，接下来逐个梳理下：

1. 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
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

2. 进程资源不足

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. sleep函数

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

4. 优先级更高进程抢占

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

5. 硬件中断

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

三、线程上下文切换

说完了进程的上下文切换，再来看看线程相关的问题

3.1 线程和进程的区别

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，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，这些在上下文切换时也是需要保存的

3.2 线程上下文切换场景

这么一来，线程的上下文切换其实就可以分为两种情况：

1. 前后两个线程属于不同进程

此时，因为资源不共享，所以切换线程就跟进程上下文切换是一样

2. 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

到这里应该可以发现，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

四、中断上下文切换

除了前面两种上下文切换，还有一个场景也会切换CPU上下文，那就是中断

4.1 中断的出现

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

4.2 中断上下文和进程上下文切换的区别

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

4.3 中断处理优先级

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

4.4 中断性能影响

另外，跟进程上下文切换一样，中断上下文切换也需要消耗CPU，切换次数过多也会耗费大量的CPU，甚至严重降低系统的整体性能
所以，当发现中断次数过多时，就需要注意去排查它是否会给系统带来严重的性能问题

五、怎么查看系统的上下文切换情况

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，缩短进程真正运行的时间，成了系统性能大幅下降的一个元凶

5.1 vmstat

既然上下文切换对系统性能影响那么大，那到底要怎么查看上下文切换呢？在这里，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，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

比如，下面就是一个vmstat的使用示例：

# 每隔5秒输出1组数据
$ vmstat 5
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 7005360  91564 818900    0    0     0     0   25   33  0  0 100  0  0

重点强调下需要特别关注的四列内容：

• cs(context switch)

每秒上下文切换的次数

• in(interrupt)

每秒中断的次数

• r(Running or Runnable)

就绪队列的长度，也就是正在运行和等待CPU的进程数

• b(Blocked)

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33次，而系统中断次数in则是25次，而就绪队列长度r和不可中断状态进程数b都是0

5.2 pidstat

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，需要使用pidstat命令
加上 -w 选项，可以查看每个进程上下文切换的情况

比如说：

# 每隔5秒输出1组数据
$ pidstat ‑w 5
Linux 4.15.0 (ubuntu)  09/23/18  _x86_64_  (2 CPU)
08:18:26      UID       PID   cswch/s nvcswch/s  Command
08:18:31        0         1      0.20      0.00  systemd
08:18:31        0         8      5.40      0.00  rcu_sched
...

这个结果中有两列内容是重点关注对象：

• cswch

表示每秒自愿上下文切换(voluntary context switches)的次数

• nvcswch

表示每秒非自愿上下文切换(non voluntary context switches)的次数

这两个概念意味着不同的性能问题：

• 自愿上下文切换

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

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

六、案例分析

知道了怎么查看这些指标，那上下文切换频率是多少次才算正常呢？接下来通过案例实战演练分析并找出这个标准

先用vmstat看一下空闲系统的上下文切换次数：

# 间隔1秒后输出1组数据
$ vmstat 1 1
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 6984064  92668 830896    0    0     2    19   19   35  1  0 99  0  0

这里可以看到，现在的上下文切换次数cs是35，而中断次数in是19，r和b都是0
因为这会儿并没有运行其他任务，所以它们就是空闲系统的上下文切换次数

6.1 操作和分析

首先，在第一个终端里运行sysbench，模拟系统多线程调度的瓶颈：

# 以10个线程运行5分钟的基准测试，模拟多线程切换的问题
$ sysbench ‑‑threads=10 ‑‑max‑time=300 threads run

接着，在第二个终端运行 vmstat ，观察上下文切换情况：

# 每隔1秒输出1组数据（需要Ctrl+C才结束）
$ vmstat 1
procs ‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑memory‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑ ‑‑‑swap‑‑ ‑‑‑‑‑io‑‑‑‑ ‑system‑‑ ‑‑‑‑‑‑cpu‑‑‑‑‑
 r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st
 6  0      0 6487428 118240 1292772    0    0     0     0 9019 1398830 16 84  0  0  0
 8  0      0 6487428 118240 1292772    0    0     0     0 10191 1392312 16 84  0  0  0

可以发现，cs 列的上下文切换次数从之前的35骤然上升到139 万，同时，注意观察其他几个指标：

• r 列

就绪队列的长度已经到了 8，远远超过了系统CPU的个数 2，所以肯定会有大量的CPU竞争

• us(user)和 sy(system)列

这两列的CPU使用率加起来上升到了 100%
其中系统CPU 使用率，也就是sy 列高达 84%，说明CPU主要是被内核占用

• in 列

中断次数也上升到了1万左右，说明中断处理也是个潜在的问题

综合这几个指标，可以知道系统的就绪队列过长，也就是正在运行和等待CPU的进程数过多，导致了大量的上下文切换，而上下文切换又导致系统CPU的占用率升高

6.2 进程上下文切换分析

那么到底是什么进程导致了这些问题呢？

接下来继续分析，在第三个终端再用pidstat来看一下， CPU和进程上下文切换的情况：

# 每隔1秒输出1组数据（需要 Ctrl+C 才结束）
# ‑w参数表示输出进程切换指标，而‑u参数则表示输出CPU使用指标
$ pidstat ‑w ‑u 1
08:06:33      UID       PID    %usr %system  %guest   %wait    %CPU   CPU  Command
08:06:34        0     10488   30.00  100.00    0.00    0.00  100.00     0  sysbench
08:06:34        0     26326    0.00    1.00    0.00    0.00    1.00     0  kworker/u4:2
08:06:33      UID       PID   cswch/s nvcswch/s  Command
08:06:34        0         8     11.00      0.00  rcu_sched
08:06:34        0        16      1.00      0.00  ksoftirqd/1
08:06:34        0       471      1.00      0.00  hv_balloon
08:06:34        0      1230      1.00      0.00  iscsid
08:06:34        0      4089      1.00      0.00  kworker/1:5
08:06:34        0      4333      1.00      0.00  kworker/0:3
08:06:34        0     10499      1.00    224.00  pidstat
08:06:34        0     26326    236.00      0.00  kworker/u4:2
08:06:34     1000     26784    223.00      0.00  sshd

从pidstat的输出可以发现：
CPU使用率的升高果然是sysbench导致的，它的CPU使用率已经达到了100%
上下文切换则是来自其他进程，包括非自愿上下文切换频率最高的pidstat，以及自愿上下文切换频率最高的内核线程kworker和sshd

6.3 线程上下文切换分析

不过，数据中有一个怪异的事儿：
pidstat输出的上下文切换次数，加起来也就几百，比vmstat的139 万明显小了太多，这是怎么回事呢？

在怀疑工具之前，再来回想一下，前面讲到的几种上下文切换场景。其中有一点提到，Linux调度的基本单位实际上是线程，而场景sysbench模拟的也是线程的调度问题，那么，是不是pidstat忽略了线程的数据呢？

通过运行man pidstat，发现pidstat默认显示进程的指标数据，加上-t参数后，才会输出线程的指标

所以，可以在第三个终端里，Ctrl+C 停止刚才的pidstat命令，再加上-t参数，重试一下看看：

# 每隔1秒输出一组数据（需要 Ctrl+C 才结束）
# ‑wt 参数表示输出线程的上下文切换指标
$ pidstat ‑wt 1
08:14:05      UID      TGID       TID   cswch/s nvcswch/s  Command
...
08:14:05        0     10551         ‑      6.00      0.00  sysbench
08:14:05        0         ‑     10551      6.00      0.00  |__sysbench
08:14:05        0         ‑     10552  18911.00 103740.00  |__sysbench
08:14:05        0         ‑     10553  18915.00 100955.00  |__sysbench
08:14:05        0         ‑     10554  18827.00 103954.00  |__sysbench
...

现在可以看到，虽然sysbench进程(也就是主线程)的上下文切换次数看起来并不多，但它的子线程的上下文切换次数却有很多

看来，上下文切换罪魁祸首，还是过多的sysbench线程

已经找到了上下文切换次数增多的根源，那是不是到这儿就可以结束了呢？

6.4 重调度中断

当然不是
前面在观察系统指标时，除了上下文切换频率骤然升高， 还有一个指标也有很大的变化，正是中断次数
中断次数也上升到了1万，但到底是什么类型的中断上升了，接下来继续抽丝剥茧找源头

既然是中断，那它只发生在内核态，而pidstat只是一个进程的性能分析工具，并不提供任何关于中断的详细信息，怎样才能知道中断发生的类型呢？

中断发生的类型可以从/proc/interrupts这个只读文件中读取
/proc实际上是Linux的一个虚拟文件系统，用于内核空间与用户空间之间的信
/proc/interrupts就是这种通信机制的一部分，提供了一个只读的中断使用情况

还是在第三个终端里，Ctrl+C停止刚才的pidstat命令，然后运行下面的命令，观察中断的变化情况：

# ‑d 参数表示高亮显示变化的区域
$ watch ‑d cat /proc/interrupts
           CPU0       CPU1
...
RES:    2450431    5279697   Rescheduling interrupts
...

观察一段时间，可以发现变化速度最快的是重调度中断(RES)，这个中断类型表示，唤醒空闲状态的CPU来调度新的任务运行，这是多处理器系统(SMP)中，调度器用来分散任务到不同CPU的机制，通常也被称为处理器间中断(Inter-Processor Interrupts， IPI)

所以，这里的中断升高还是因为过多任务的调度问题，跟前面上下文切换次数的分析结果是
一致的

6.5 上下文切换次数合理

现在再回到最初的问题，每秒上下文切换多少次才算正常呢？

这个数值其实取决于系统本身的CPU性能
如果系统的上下文切换次数比较稳定，那么从数百到一万以内，都应该算是正常的。但当上下文切换次数超过一万次，或者切换次数出现数量级的增长时，就很可能已经出现了性能问题

这时，需要根据上下文切换的类型，再做具体分析。比方说：

• 自愿上下文切换变多

说明进程都在等待资源，有可能发生了 I/O 等其他问题

• 非自愿上下文切换变多

说明进程都在被强制调度，也就是都在争抢CPU，说明CPU的确成了瓶颈

• 中断次数变多

说明CPU被中断处理程序占用，需要通过查看/proc/interrupts文件来分析具体的中断类型

七、小结

总结一下，不管是哪种场景导致的上下文切换，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之一，一般情况下不需要特别关注

2. 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

通过一个sysbench的案例，说明上下文切换问题的分析思路

碰到上下文切换次数过多的问题时，可以借助vmstat、pidstat和/proc/interrupts等工具，来辅助 排查性能问题的根源