CPU上下文切换

Posted 2020-12-11 leisurelylicht

1. 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。

• 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。

进程的上下文切换，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。

触发进程切换的情况

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。

2. 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。

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。

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，这些在上下文切换时也是需要保存的。

所以线程的上下文切换其实可以分为两种情况

1. 前后两个线程属于不同进程。此时，因为资源不共享，所以切换过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。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，但是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。这也是多线程代替多进程的一个优势。

3. 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。

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. 怎么查看系统的上下文切换情况

查看系统上下文切换的常用命令

1. vmstat

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。

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需要重点关注的四列内容为：

• 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。

2. pidstat

使用 pidstat 的 -w 选项可以查看每个进程上下文切换的详细情况。

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这个结果中重点关注两列内容，分别是：

• 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。

这两列内容代表着不同的性能问题：

• 所谓自愿上下文切换，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。
• 而非自愿上下文切换，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。

通俗的讲自愿上下文切换代表有困难，自己干不下去了，非自愿上下文切换代表自己还能干，但是上头不让干了。

上面的 -w 参数只能看到进程的指标数据，如果需要查看线程的指标数据，则需要再增加 -t 参数。

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3. /proc/interrupts

/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通信。

/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。

可以通过 watch 命令监视 /proc/interrupts 文件的变化情况。

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5.每秒上下文切换多少次算正常?

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，还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了，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了，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；
• 中断次数变多了，说明 CPU 被中断处理程序占用，还需要通过查看 /proc/interrupts 文件来分析具体的中断类型。