cpu 上下文切换

  • Last updated on 2020-05-27
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Linux  

一、引入 CPU 上下文

有时候看系统的资源利用率,我们会发现,cpu的use值不高,但sys值特别高,同时负载也会比较高,这时我们就会比较疑惑,我程序明明用的cpu很少啊,为什么负载特别高?

嗯 原因就是上下文切换了。

 

二、什么是 CPU 上下文

我们都知道,Linux是一个多任务的操作系统,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正的在同时运行,而是因为系统在很短的时间内,将CPU轮流分配给他们,造成很多任务同时运行的错觉。

在每个任务运行前,CPU都需要知道任务从哪里加载,又是从哪里开始运行,也就是说,需要系统事先帮他设置好CPU寄存器和程序计数器。

CPU寄存器,是CPU内置的容量小、但速度极快的内存。

程序计数器,则是用来存储CPU正在执行的指令的位置,或者即将执行的下一条指令的位置。

他们都是CPU在运行任何任务前,必须依赖的环境,因此也被叫做CPU上下文。

 

三、什么是CPU 上下问切换

知道了什么是 CPU 上下文,我想你也很容易理解CPU上下文切换。

CPU上下文切换,就是先把前一个任务的CPU上下文(也就是CPU寄存器和程序计数器)保存起来,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的时候再加载进来。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。

 

四、引出CPU 上下问切换的类型

我猜肯定会有人说,CPU上下文切换无非就是更新了CPU寄存器的值嘛,但这些寄存器,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,不知道你有没有想过,操作系统管理的这些”任务”到底是什么呢?

也许你会说,任务就是进程,或者说任务就是线程。

是的进程和线程是最常见的任务,但是除此之外,还有没有其他任务呢?

不要忘了,硬件通过触发信号,会导致中断处理程序的调用,这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。

下面我们看下如何理解这几个不同的上下文切换,以及他们为什么会引发CPU性能相关的问题。

 

五、进程上下问切换

1、概述

先说结论:进程上下文切换,是指从一个进程切换到另一个进程运行。

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Ring0 和 Ring3。

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。

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。

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。

那么,系统调用的过程有没有发生CPU上下文切换呢?答案是肯定的。

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。

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的。

那么,进程上下文切换跟系统调用又有什么区别呢?

首先,你需要知道,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含了虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源,还包含了内核堆栈、寄存器等内核空间状态。

因此,进程的上下文切换就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,还需要刷新新进程的虚拟内存和用户栈。

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妙的CPU时间。这个时间还是相当可观的,特别是进程上下文切换次数较多的情况下,很容易导致CPU将大量的时间耗费在寄存器、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。

 

2、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。

Linux为每个CPU都维护了一个就绪队列,将获取进程(即正在运行和等待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。

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,这里逐个梳理下。

其一,为了保证所有进程可以得到公平调度,CPU时间片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,切换到其他正在等待CPU的进程运行。

其二,进程在系统资源不足(比如内存不足)时,需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:当进程通过随眠函数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,由高优先级的进程来运行。

最后一个,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,他们就是幕后凶手。

 

六、线程上下问切换

说完了进程的上下文切换,我们再来看看线程相关的问题。

线程与进程最大的区别在与,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用,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,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。

这么一来,线程的上下文切换其实就可以分为两种情况:

第一种,前后俩个线程属于不同进程,此时,由于资源不共享,所以切换过程就跟进程上下文切换是一样的。

第二种,前后两个线程属于同一个进程,此时,应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。

到这里你应该也发现了,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。

 

七、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。

为了快速响应硬件的时间,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,响应设备时间。

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,即便中断打断了一个正处于用户态的进程,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所必须的状态,包括CPU寄存器、内核堆栈、硬件中断等参数等。

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。同样的道理,由于中断会大段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。

 

八、总结:

不管是哪种场景导致的上下文切换,你都应该知道:

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我们特别关注。

但过多的上下文切换,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。

 
作者:鸟它鸟
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来源:简书
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