良许Linux教程网 干货合集 通过实战理解CPU上下文切换

通过实战理解CPU上下文切换

Linux作为一个多任务操作系统,能够支持远远超过CPU数量的任务同时运行,但实际上这只是一种错觉。事实上,系统会在非常短的时间内将CPU轮流分配给各个进程,给用户造成多任务同时运行的错觉。这就引发了一个问题:每次运行进程之前,CPU都需要知道进程的加载位置和运行位置,也就是说,系统需要提前设置好CPU寄存器和程序计数器。

CPU上下文

CPU上下文实际上是一系列环境,它为任务的运行提供了必要的支持,而这些环境的硬件基础就是CPU寄存器和程序计数器。CPU寄存器是CPU内部的一种存储设备,虽然容量很小,但速度非常快。而程序计数器则是CPU在执行任何任务时都必不可少的,它记录了当前运行任务的行数等信息。这就是CPU上下文的重要性所在。

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CPU上下文切换

根据任务的不同,CPU的上下文切换就可以分为进程上下文切换、线程上下文切换、中断上下文切换

进程上下文切换

在Linux中,Linux按照特权等级,将进程的运行空间分为内核空间和用户空间:

内核空间具有最高权限,可以直接访问所有资源

用户空间只能访问受限资源,不能直接访问内存等硬件设备,要想访问这些特权资源,必须通过系统调用

对于一个进程来说,一般是运行在用户态的,但是当需要访问内存、磁盘等硬件设备的时候需要陷入到内核态中,也就是要从用户态到内核态的转变,而这种转变需要通过系统调用来实现,例如一个打开文件的操作,需要调用open()打开文件,read()读取文件内容,write()将文件内容输出到控制台,最后close()关闭文件,这就是系统调用

在系统调用的过程中同样发发生了CPU上下文切换:

CPU寄存器里面原来用户态的指令位置,需要先保存起来,接着运行内核态代码

CPU寄存器需要更新为内核态指令的位置,执行内核态代码

系统调用结束后,CPU寄存器需要恢复原来保存的用户态,然后切换为用户空间,所以一次系统调用的过程,会发生两次的CPU上下文切换

但是我们一般说系统调用是特权模式切换而不是上下文切换,因为这里没有涉及到虚拟内存等这些进程用户态的资源,也不会切换进程是属于进程之内的上下文切换

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、寄存器等内核空间的状态,所以进程的上下文切换要比系统调用更多一步,保存该进程的虚拟内存、栈等用户空间的资源

进程上下文切换一般需要几十纳秒到数微秒的CPU时间,当进程上下文切换次数比较多的情况下爱,将导致CPU将大量的时间耗费在寄存器、内核栈即虚拟内存等资源的保存和恢复上,另外,Linux通过TLB快表来管理虚拟内存到物理内存的映射关系,当虚拟内存更新之后,需要刷新缓存,在这多处理系统上是很复杂的,因为多个处理器共享一个缓存

下面再来说说什么时候会进行进程的上下文切换,其实就是进程在被调度的时候需要切换上下文,可能是主动地,也有可能是被动的

系统进程正常调度算法导致进程上下文切换,例如目前使用的时间片轮转算法,当一个进程的时间片耗尽之后,CPU会进项进程的调度切换到其他进程

进程在资源不足的时候,会被挂起例如在等待IO或者内存不足的时候,会主动挂起,并且等待系统调度其他进程

当进程通过一些睡眠函数sleep()主动挂起的时候,也会重新调度

当有高优先级的进程运行时,当前进程也会被挂起

当发生硬件中断时,CPU上的进程会被中断挂起

线程上下文切换

线程是调度的基本单位,而进程则是资源拥有的基本单位,也就是说对于内核中的任务调度是以线程为单位,但是进程只是给线程提供了虚拟内存、全局变量等资源,进程与线程之间的区别这里不再介绍

那么线程上下文的切换,其实分为两种情况:

  1. 前后两个线程属于不同进程,因为资源不共享,所以这时候的线程上下文切换和进程上下文切换是一致的
  2. 前后两个线程属于同一个进程,因为虚拟内存是共享的,所以在切换的时候,虚拟内存这些资源保持不动,只有切换线程的私有数据、寄存器等不共享的资源

所以同进程内的线程切换要比多进程内的线程切换消耗更少的资源

中断上下文切换

中断是为了快速响应硬件的事件,简单来shu就是计算机停下当前的事情,去处理其他的事情,然后在回来继续执行之前的任务,例如我们在调用print函数的时候,其实汇编的底层会帮我们调用一条 int 0x80的指令,便是调用0x80号中断

当然,中断要先将当前进程的状态保存下来,这样中断结束后进程仍然可以从原来的状态恢复运行,中断上下文的切换并不涉及进程的用户态,所以当中断程序打断了正在处于用户态的进程,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,只需要保存和恢复这个进程的内核态中的资源包括CPU寄存器、内核堆栈等

对于同一个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,一般来说中断程序都执行比较快短小精悍,以便快速结束执行之前的任务。当中断上下文切换次数比较多的时候,会耗费大量的CPU

怎么查看系统上下文

上面已经介绍到CPU上下文切换分为进程上下文切换、线程上下文切换、中断上下文切换,那么过多的上下文切换会把CPU的时间消耗在寄存器、内核栈以及虚拟内存等数据的保存和恢复上,缩短进程真正运行的时间,成为系统性能大幅下降的一个因素

所以我们可以使用vmstat这个工具来查询系统的上下文切换情况,vmstat是一个常用的系统性能分析工具,可以用来分析CPU上下文切换和中断的次数

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需要特别关注的是:

cs(context switch):每秒上下文切换的次数
in(interrupt):每秒中断的次数
r(Running or Runnable):就绪队列的长度,也就是正在运行和等待CPU的进程
b(Blocked):处于不可中断睡眠状态的进程数

vmstat是给出整个系统总体的上下文切换情况,要想查看每个进程的详细情况就需要使用pidstat,加上-w选项就可以查看进程上下文切换的情况

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需要特别关注的是:

cswch(voluntary context switches):表示每秒自愿上下文切换的次数
nvcswch(non voluntary context switches):表示每秒非自愿上下文切换的次数

这两个概念的分别含义:

  1. 自愿上下文切换:进程无法获取所需的资源,导致的上下文切换,例如IO、内存等资源不足时,就会发生自愿上下文切换
  2. 非自愿上下文切换:进程由于时间片已到等时间,被系统强制调度,进而发生的上下文切换,例如大量的进程都在争抢CPU时,就容易发生非自愿上下文切换

实战分析

通过上面的工具已经可以初步查看到系统上下文切换的次数,但是当系统上下文切换的次数为多少时是不正常的呢?

案例使用sysbench工具来模拟多线程调度切换的情况,sysbench是一个多线程的基准测试工具,可以模拟上下文切换过多的问题

首先在第一个终端运行stsbench,模拟多线程切换问题

# 以 10 个线程运行 5 分钟的基准测试,模拟多线程切换的问题
sysbench --threads=10 --max-time=300 threads run

然后在第二个终端运行vmstat,每1秒查看上下文切换的情况

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可以观察到如下指标:

  • r列:就绪队列的长度已经到了8左右,已经超过了2个cpu,所以会有大量的CPU竞争
  • us(user)列和sy(system)列,这两列的CPU使用率已经到达100%,并且大量是由sy造成的,说明CPU主要是被内核占用了
  • in(interrupt):in列的数值也到了解决1万,所以中断处理也是一个问题

那我们接着使用pidstat来查看是那一个进程出现了问题,由于pidstat默认是显示进程的指标数据,但是我们使用sysbench模拟的线程的数据,所以需要加上-t选项

gpw@gopuwe:~$ pidstat -wt
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所以到这里可以分析出是sysbench的子线程的上下文切换次数有很多

还有一个问题,在使用vmstat的时候,发现in指标的数据也比较多,那么我们需要找出是什么类型的中断导致了中断上升,中断肯定是发生在内核态,但是pidstat只是一个进程的性能分析工具,并不提供任何关于中断的详细信息

我们可以从/proc/interrupts这个只读文件中读取,/proc是一个虚拟文件系统,用于内核空间和用户空间之间的通信,/proc/interrupts则提供了一个只读的中断使用情况,可以使用cat命令查看/proc/interrupts可以发现变化速度最快的是重调度中断RES,这个中断类型表示唤醒空闲状态的CPU来调度新的任务运行,也被成为处理器中断

那么到底上下文切换的次数为多少合适呢?

这个数值其实取决于系统本身的 CPU 性能,在我看来,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,这个时候还要根据上下文切换的类型,做具体的分析,例如:

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

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良许

作者: 良许

良许,世界500强企业Linux开发工程师,公众号【良许Linux】的作者,全网拥有超30W粉丝。个人标签:创业者,CSDN学院讲师,副业达人,流量玩家,摄影爱好者。
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