[转帖]《Linux性能优化实战》笔记（二）—

上一篇的最后一个例子，在多个进程竞争CPU时，我们看到每个进程实际上%usr部分只有20%多，70%多是在wait，但是load远远高于单个进程使用CPU达到100%。

这让我想到之前看的RWP公开课，里面有一篇连接池管理。为什么相同的业务量，起6千个连接（进程）远远要慢于200个连接，因为绝大多数资源空耗在了进程调度，实际在干活的非常少，干不了多久就被打断了，打断之后由于进程太多要等很久才能重新拿齐资源变为runnable状态，好不容易等到CPU空闲，干不了多久又被打断了，恶性循环最终导致数据库将近崩溃。

说了一堆...开始记这节课的笔记。

一、 CPU 上下文

1. 概念

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，这些任务实际上并不是真的在同时运行，而是因为系统在很短的时间内，将 CPU 轮流分配给它们，造成多任务同时运行的错觉。

既然是轮流，CPU肯定要知道当前执行到了哪一个，下一个应该到谁，下一个任务从哪里加载、又从哪里开始运行。这些信息被称作CPU上下文，而这些信息的存储和通过CPU中的寄存器和程序计数器来完成。

寄存器是 CPU 内置的容量小、但速度极快的内存。而程序计数器则用来存储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，因此被叫做 CPU 上下文。

2. CPU上下文切换

顾名思义，就是CPU要切换任务之前，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。

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。

这个步骤看起来并不复杂，为什么却会导致系统负载如此之高？

其实根据任务的不同，CPU 的上下文切换可以分为几个不同的场景：

进程上下文切换
线程上下文切换
中断上下文切换

本篇来看怎么理解这几个不同的上下文切换，以及它们为什么会引发 CPU性能相关问题。

二、进程上下文切换

1. 进程的用户态与内核态

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 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，必须通过系统调用到内核中，能访问特权资源

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。
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，然后才是跳转到内核态运行内核任务。
内核任务结束后，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。

2. 进程上下文切换与系统调用的区别

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。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。

而在系统调用过程中，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。

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。

另外还有一个显著区别

进程上下文切换，是指从一个进程切换到另一个进程运行。
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。

3. 为何会引发性能问题

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。

另外，我们知道， 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。

4. 什么时候会切换进程上下文

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，然后选择优先级最高和等待 CPU 时间最长的进程来运行。

有很多场景都会触发进程调度，例如：

时间片到。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。
进程系统资源不足（比如IO、内存）。要等到资源满足后才可以运行，这时进程也会被挂起，并由系统调度其他进程运行。
进程主动挂起。例如通过睡眠函数 sleep 等方法
有优先级更高的进程运行。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。
发生硬件中断。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

三、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。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。

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不需要修改。
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。

因此，线程的上下文切换其实就可以分为两种情况：

前后两个线程属于不同进程：此时，就跟进程上下文切换是一样。
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，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。

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。

四、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。

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。

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