CPU上下文
CPU上下文
包括CPU寄存器和程序计数器(Program Counter,PC)。
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,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,必须的软硬件依赖环境,因此也被叫做CPU上下文。
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。
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。
进程上下文切换
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
线程上下文切换
中断上下文切换
怎么查看系统的上下文切换情况
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,缩短进程真正运行的时间,成了系统性能大幅下降的一个元凶。
既然上下文切换对系统性能影响那么大,你肯定迫不及待想知道,到底要怎么查看上下文切换呢?在这里,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,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。
比如,下面就是一个 vmstat 的使用示例:
# 每隔 5 秒输出 1 组数据
$ vmstat 5
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st
0 0 0 7005360 91564 818900 0 0 0 0 25 33 0 0 100 0 0
我们一起来看这个结果,你可以先试着自己解读每列的含义。在这里,我重点强调下,需要特别关注的四列内容:
- 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。
可以看到,这个例子中的上下文切换次数 cs 是 33 次,而系统中断次数 in 则是 25 次,而就绪队列长度 r 和不可中断状态进程数 b 都是 0。
vmstat 只给出了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,就需要使用我们前面提到过的 pidstat 了。给它加上 -w 选项,你就可以查看每个进程上下文切换的情况了。
比如说:
# 每隔 5 秒输出 1 组数据
$ pidstat -w 5
Linux 4.15.0 (ubuntu) 09/23/18 _x86_64_ (2 CPU)
08:18:26 UID PID cswch/s nvcswch/s Command
08:18:31 0 1 0.20 0.00 systemd
08:18:31 0 8 5.40 0.00 rcu_sched
...
这个结果中有两列内容是我们的重点关注对象。一个是 cswch ,表示每秒自愿上下文切换(voluntary context switches)的次数,另一个则是 nvcswch ,表示每秒非自愿上下文切换(non voluntary context switches)的次数。
这两个概念你一定要牢牢记住,因为它们意味着不同的性能问题:
- 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。
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