Linux性能优化实践——CPU上下文

CPU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。这些任务不是真正意义上的并行运行，而是系统在短时间内，将CPU轮流分配给它们，造成任务同时运行的错觉。
CPU需要知道任务从哪里加载，从哪里开始运行是通过设置好的CPU寄存器和程序计数器（Program Counter，PC）完成的。

• CPU寄存器：CPU内置的容量小、但速度极快的内存；
• 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，因此也叫作CPU上下文。
  
  CPU上下文切换，就是先把前一个任务的CPU上下文（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。
  进程和线程是最常见的任务，除此之外，还有硬件通过出发信号，会导致中断处理程序的调用，也是一种常见的任务。
  根据任务的不同，CPU上下文切换就可以分为几个不同的场景，即进程上下文切换、线程上下文切换以及中断上下文切换。

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，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。
  
  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。

从用户态到内核态的转变，需要通过系统调用来完成。比如，当我们查看文件内容时，就需要多次系统调用来完成：首先调用 open() 打开文件，然后调用 read() 读取文件内容，并调用 write() 将内容写到标准输出，最后再调用 close() 关闭文件。

1. 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。

CPU 寄存器里原来用户态的指令位置，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。

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。这跟我们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。
• 而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。

2. 那么，进程上下文切换跟系统调用又有什么区别呢?

首先，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。

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

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。这也正是上一节中我们所讲的，导致平均负载升高的一个重要因素。

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。

3. 什么时候会切换进程上下文？

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。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。

4. 进程在什么时候才会被调度到CPU上运行呢?

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，在这里我给你逐个梳理下。

其一，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。

其二，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。

其三，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。

其四，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。

其五，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。

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。可以这么理解线程和进程：

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

线程的上下文切换其实就可以分为两种情况：

第一种，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。

第二种，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

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。

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。

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。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。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，当你发现中断次数过多时，就需要注意去排查它是否会给你的系统带来严重的性能问题。

怎么查看系统的上下文切换情况

使用 vmstat （vmstat命令是最常见的Linux/Unix监控工具，可以展现给定时间间隔的服务器的状态值，包括服务器的CPU使用率、内存使用、虚拟内存交换情况、IO读写情况）这个工具，来查询系统的上下文切换情况，

vmstat安装
如何在 Mac OS安装apt-get
Manually Installing the vmstat collector

vmstat 5命令表示每5秒输出1组数据，数据参数项含义如下：

• r（Running or Runnable）：就绪队列的长度，也即正在运行和等待CPU的进程数；
• b（Block）：不可中断睡眠状态的进程数；
• swpd（swap daemon）：每秒从磁盘交换到内存的数量，使用虚拟内存大小；
• free：空闲的物理内存的大小；
• buffer：设备和设备之间的缓冲区大小；
• cache：cpu和内存之间的缓冲区大小；
• si（swap input）：每秒从磁盘读入虚拟内存的大小，如果这个值大于0，表示物理内存不够用或者内存泄露了，要查找耗内存进程解决掉；
• so（swap output）：每秒虚拟内存写入磁盘的大小，如果这个值大于0，表示虚拟内存不够用或者内存泄露；
• bi（block input）：块设备每秒接收的块数量，这里的块设备是指系统上所有的磁盘和其他块设备，默认块大小是1024byte。若没有IO操作，则一直是0。
• bo（block output）：块设备每秒发送的块数量，例如我们读取文件，bo就要大于0。bi和bo一般都要接近0，不然就是IO过于频繁，需要调整。
• in（interrupt）：每秒中断的次数；
• cs（context switch）：每秒上下文切换的次数；
• us（user time）：用户CPU时间；
• sy（system time）：系统CPU时间，如果太高，表示系统调用时间长，例如是IO操作频繁；
• id（idle time）：空闲 CPU时间，一般来说，id + us + sy = 100，id是空闲CPU使用率，us是用户CPU使用率，sy是系统CPU使用率；
• wa（wait time）：等待IO CPU时间；
• st（steal time)：虚拟 CPU 等待物理 CPU 的时间；

vmstat给出了系统总体的上下文切换情况，想要查看每个进程的详细情况，需要使用pidstat。
输入命令pidstat -w 5 表示查看每个进程的上下文切换情况。

• 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；

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。

未完待续

参考链接：
1、https://zhuanlan.zhihu.com/p/406497025