Linux性能分析-CPU上下文切换

Posted 2023-04-10

参考技术A

在 Linux性能分析-平均负载 中，提到过一种导致平均负载升高的情况，就是有大量进程或线程等待cpu调度。

为什么大量进程或者线程等待CPU调度会导致负载升高呢？

当大量进程或者线程等待调度时，cpu需要更加频繁的切换任务，在切换任务的过程中，需要保存上一个任务的context到内核中，并且恢复当前任务的context，这种保存和恢复的操作也是需要cpu来执行的，导致cpu都消耗在了 保存上文和恢复下文 这个过程中。

除了进程和线程导致的上下文切换以外，硬件产生的中断事件也会导致上下文切换。并且中断事件的优先级是高于线程和进程任务的。

这篇文章会模拟测试这种情况。

vmstat是一个观测总体上下文切换状况的命令。
下面指令可以每隔5秒输出一组数据。

重点关注列含义：

使用vmstat关注到了整体的情况，接下来可以使用pidstat关注具体线程的情况
注：pidstat -wt 可以输出线程的情况

重点关注列含义：

系统环境：

首先安装sysbench，使用sysbench，我们可以模拟一个进程内多线程调度引起的上下文切换问题。

安装好后，执行下面命令

查看下vmstat和pidstat

观察vmstat结果，可以看到

观察pidstat两类结果，可以发现

整体结果符合我们的预期。

针对in列显著提高，可以查看 /proc/interrupts 文件，里面记录了中断相关的数据，这些数据记录的是从上次启动到现在的累加值。

我们把系统重新启动下，看下空闲状态下的文件

当执行sysbench命令后，并运行一段时间后，该文件如下

其中，LOC和RES显著升高
RES表示，唤醒空闲状态的CPU来调度新的任务运行，和我们模拟的过多任务调度有关。

LOC不太理解，暂时先放在这里。

Linux性能学习（1.3）：CPU_CPU上下文切换

文章目录

• 1 简介
• 2 进程上下文切换
• 3 线程上下文切换
• 4 中断上下文切换

参考资料：
1.
https://blog.tsunanet.net/2010/11/how-long-does-it-take-to-make-context.html

1 简介

在Linux下，如果我们使用ps指令可以看到有很多进程在同时运行，但是实际上并不是同一时刻运行的，单核CPU在某一时刻只会运行一个任务，而系统则会通过调度算法（时间片轮转、中断优先、高优先级优先等算法）将不同的任务给到CPU运行，从而造成可以同时执行很多进程的假象。

在系统将某一个任务给到CPU运行时候，CPU则需要将当前正在执行的指令进行存储，以便下次执行这个任务，以及需要知道下一个任务的指令的位置，以便加载进来运行，而程序计数器则是用于存放指令所在地址的地方；寄存器是加载速度比缓存更快的内存，用于存储CPU需要的参与运算的数据和运算结果；上面的程序计数器和寄存器组合起来就是一个任务的上下文，即CPU的上下文。
PS：程序计数器也是属于CPU寄存器中的一类。

上下文切换则是指CPU在运行新任务前，将当前任务的数据以及指令等信息保存起来，即这个任务的上下文保存起来到系统内核中，然后加载新任务的上下文数据到程序计数器和寄存器中，然后跳转到程序计数器指定的新位置，开始运行任务。

CPU保存旧任务的上下文，以及加载新任务的上下文，即上下文切换是需要时间的，所以频繁的上下文切换也会导致CPU耗费时间在数据保存以及数据读取上。

根据任务的不同，上下文切换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。

2 进程上下文切换

在以下场景中，会触发进程上下文切换：
进程正常执行完毕；
进程分配的CPU时间片使用完了，需要调度另外的任务；
使用sleep等休眠函数，则会被挂起；
系统资源不足时，进程被挂起，要等待系统资源满足，进程则再次运行；
高优先级的进程需要运行；
硬件中断发送，优先级最高，需要运行。

3 线程上下文切换

线程是系统调度的基本单位，进程是资源拥有的基本单位，为线程提供虚拟内存，全局变量等资源。

如果一个进程只有一个线程，那么这个进程就相当于线程；如果一个进程有多个线程，那么这些线程就会共享这个进程的虚拟内存、全局变量等资源，这些资源因为是共享的，如果发生进程内的线程切换，则不会切换这些资源，但是线程也会有自己一些数据，发生进程内的线程切换，这些数据是需要保存和切换的。

因此，如果发生切换的线程如果属于不同的进程，则上下文切换相当于进程的上下文切换；如果发生切换的线程如果属于相同的进程，共享资源不切换，值切换线程独有的数据。

4 中断上下文切换

硬件中断的优先级高于普通进程的优先级，因此当硬件中断发生，CPU会优先执行中断事件，从而发生中断上下文切换。

中断上下文切换不涉及到进程的用户态，因此不需要保存和恢复用户态资源（虚拟内存、全局变量等资源），而是涉及到内核态。因此性能消耗上会比进程上下文切换低。