CPU上下文切换（上）

Posted 2021-12-30

CPU上下文切换

? 我们经常说的平均负载和cpu升高没有直接的关系，在不同的场景cpu升高会导致系统负载，但是系统负载不一定是cpu升高导致的。

一、系统负载过高的三种场景

• cpu密集型进程，使用大量cpu会导致平均负载升高，此时这两者是一致的。

• io密集型进程，等待io也会导致平均负载升高，但cpu不一定很高。

• 大量等待cpu的进程调度也会导致平均负载升高，此时cpu使用率也会比较高。

? 大量进程竞争cpu（也就是上面的第三个场景），往往是被忽略的，cpu虽然没有使用，只是在竞争，也会发生负载吗？

? 我们都知道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，当然这些任务不是同时运行，而是系统在很短时间内，将cpu轮流分配给它们，造成多任务同时运行的错觉。而每个任务运行前，cpu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。

二、CPU寄存器和程序计数器

1. cpu寄存器：

? cpu内置的容量小、但速度极快的内存。

2. 程序计数器：

? 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。他们都是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。

3. cpu上下文切换

? cpu上下文切换：就是先前一个任务的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。

? 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。这样就保证原来任务的状态不受影响，让任务看起来还是连续运行。

? 根据任务不同，cpu的上下文切换就可以分为不同的几个场景，进程上下文切换，线程上下文切换以及中断上下文切换。

3.1. 进程上下文切换

? linux安装特权等级，把进程的运行空间分为内核空间和用户空间

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• 内核空间（Ring0）具有最高权限，可以直接访问所有资源；

• 用户空间（Ring3）只能访问受限权限，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，才能访问特权资源。

? 所以，进程既可以在用户空间运行又可以在内核空间运行，在用户空间运行时，称为用户态。在内核空间运行时，称为内核态。

3.1.1. 系统调用是否发生cpu上下文切换

• 系统调用：cpu寄存器里面原来的用户态的指令位置，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，才跳转到内核态运行内核任务。

• 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，其实发送了两次cpu上下文切换。
• 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。所以，系统调用通常称为特权模式切换，但实际上，系统调用也无法避免cpu上下文切换。

3.1.2. 进程上下文切换跟系统调用区别

? 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用户态的虚拟内存，用户栈，全局变量等资源。还包括了内核栈、寄存器等内核空间的状态。

? 因此，进程的切换比系统调用多了一步：在保存当前进程的内核状态和cpu寄存器之前，需要先把用户态的虚拟内存，用户栈保存下来；在加载了下一进程的内核态后，需要刷新进程的虚拟内核和用户栈。

? 保存上下文和恢复上下文的进程并不是免费的，需要内存在cpu上运行才能完成。

? 每次上下文切换都需要几十纳秒到微妙的cpu时间。这个时间还是相当可观。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。这也是导致平均负载升高的重要因素。

? linux通过（tlb）来管理虚拟内存和物理内存直接的映射关系，当虚拟内存更新后，tlb也要更新，内存访问随之变慢。特别是在多处理器系统上，缓存被多个处理器共享，刷新缓存不仅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。

3.1.3. 进程什么时候切换

? 进程执行完终止了，会释放cpu，这个时候cpu从就绪队列里面拿一个新的进程运行，还有其他的一些非正常场景也会导致进程切换。

• 时间片耗尽：为了保证所以进程可以得到公平调度，CPU时间被划分成一段段的时间片，这些时间片轮流分配给各个进程。当某个时间片耗尽了，就会被系统挂起，切换到其他等待cpu的进程运行。

• 系统资源不足（如：内存不足）：这个时候进程会被挂起，并由系统调度其他进程运行。

• 进程主动挂起： 当进程通过睡眠函数sleep这样的方式将自己主动挂起时。

• 高优先级进程：当有优先级高的进程出现时，为了保证优先级高的进程运行，当前进程会被系统挂起

• 硬件中断时：当发生硬件中断时，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。

  3.2. 线程上下文切换

  ? 线程和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。所以，对于线程和进程可以理解为：

• 当进程只有一个线程时，可以任务进程就是线程。

• 当进程拥有多个线程时，这些线程共享相同的虚拟内存、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，如：栈和寄存器等，这些在上下文切换时也是需要保存的。

? 所以说：

? 当两个线程不属于同一进程时，线程上下文切换时。因为资源不共享，所以切换就相当于时进程间切换。

? 当两个线程属于同一进程时，线程上下文切换时。因为资源共享，只需要切换线程私有数据。

? 进程间切换消耗的资源多于线程间切换，所以就出现了多线程代替多进程的优势。

3.3. 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。在打断其他进程时，就需要将进程当前状态保存起来。

? 跟进程上下文切换不同是，中断上下文切换不会涉及到进程的用户态。所以，即便中断过程打断了一个用户态的进程，也不需要保存和恢复进程的虚拟内存。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cup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线文切换同时发生。所以大部分中断处理程序都短小精悍，以便尽快的执行结束。

? 总结

1. cpu上下文切换，时保持Linux系统正常运行的核心功能之一，一般情况不需要我们特别关注。
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，从而缩短了进程真正运行的时间，导致系统性能下降。