理解linux的CPU上下文切换

前言

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，这个同时运行不是真的同时运行，而是系统在很短的时间内轮流分配CPU资源，由于CPU的速度很快，所以给人一种同时运行的错觉。

每个任务运行前，CPU需要知道任务从哪加载、从哪开始运行，也就是需要系统设置好任务的CPU寄存器和程序计数器。这俩是CPU执行任何任务前所必须的依赖环境，因此也被叫做CPU上下文。而CPU上下文切换便是，先把前一个任务的CPU上下文保存起来，然后加载新任务的上下文到CPU寄存器和程序计数器中，最后再跳转到程序计数器所指向的新位置来运行新任务。

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，以及中断上下文切换。

进程上下文切换

linux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，必须通过系统调用陷入内核，才能访问特权资源。当进程在用户空间运行时，被称为进程的用户态；当进程陷入到内核空间，被称为进程的内核态。

用户态通过系统调用陷入内核态的时候，会发生CPU上下文切换。系统需要先保存用户态的上下文，然后加载内核态代码的上下文，执行完内核态任务后，再进行一次CPU上下文切换，切换回用户态的上下文。因此一次系统调用会发生两次CPU上下文切换。这里需要注意，系统调用过程一直是同一个进程在运行，不是一个进程切换到另一个进程。

进程是由内核管理和调度的，进程的切换只能在内核空间。因此，进程的上下文不仅包括虚拟内存、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。由于进程上下文较多，切换时候不仅包括用户态信息，还包括内核态信息，所以上下文切换时耗费的时间更多。虽然一般只需要纳秒级的时间，但进程上下文切换次数较多的时候，总体耗费的时间就比较可观了。在大量进程上下文切换的情况下，CPU将大量时间耗费在寄存器、内核栈、虚拟内存等资源的保存和恢复上，进而缩短了真正运行进程的时间。

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。

只有在进程调度的时候，才需要切换进程上下文。linux为每个CPU维护了一个就序队列，将活跃进程（在运行和等待中的进程）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时间最长的进程来运行。

触发进程调度的常见场景：

• 进程的CPU时间片用完，就会被系统挂起，切换到其他进程。
• 进程所需的系统资源不足时，需要等到资源满足后才可以运行，这时候也会被挂起。
• 进程通过sleep()函数主动挂起。
• 有优先级更高的进程需要运行时，当前进程会被挂起。
• 硬件中断时，进程会被挂起。

线程上下文切换

进程是资源分配的基本单位，线程是调度的基本单位。进程内有多个线程时，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。线程也有自己的私有资源，比如栈和寄存器等，这些在上下文切换时也需要保存。

• 线程上下文切换前后的两个线程如果不属于同一个进程，此时资源不共享，切换过程同进程上下文切换。
• 切换前后的两个线程若属于同一个进程，共享的虚拟内存等资源保持不动，切换线程的私有资源即可。在这种情况下，切换消耗的资源更少。

中断上下文切换

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。

中断上下文切换并不涉及进程的用户态，当中断发生在一个正处于用户态的进程时，不需要保存和恢复这个进程的用户态资源。中断上下文值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。

查看系统的上下文切换情况

使用vmstat（apt或yum安装sysstat）可查看系统的上下文切换情况

# 每2秒输出一组报告，共1份报告
vmstat 2 1
procs  -----------memory----------  ---swap--  -----io----  -system--  ------cpu-----
r      b                            交换       空闲         缓冲       缓存            si  so  bi   bo   in   cs   us  sy  id  wa  st
1      0                            0          2118592      100844     1011392         0   0   211  259  188  249  3   1   96  0   0

• cs(context switch)：每秒上下文切换的次数。此处为249
• in(interrupt): 每秒中断的次数。此处为188
• r(running or runnable): 就绪队列的长度，即正在运行和等待CPU的进程数
• b(blocked): 处于不可中断睡眠状态的进程数

查看每个进程的上下文切换情况

使用pidstat(同样依赖于sysstat)可查看进程的上下文切换情况。

# 每3秒输出一组报告，-w表示输出进程的上下文切换指标，-wt表示输出线程的上下文切换指标
pidstat -w 3

13时53分56秒   UID       PID   cswch/s nvcswch/s  Command
13时53分59秒     0         7      4.95      0.00  kworker/0:1-ata_sff
13时53分59秒     0        13      2.64      0.00  rcu_sched
13时53分59秒     0        14      0.33      0.00  migration/0
13时53分59秒     0        19      0.33      0.00  migration/1
13时53分59秒     0        31      1.98      0.00  kcompactd0
13时53分59秒     0       122      1.32      0.00  kworker/1:1H-kblockd
13时53分59秒     0       247      0.99      0.33  jbd2/dm-0-8
13时53分59秒   116       501      0.66      0.00  avahi-daemon
13时53分59秒     0       505      0.99      0.00  NetworkManager
13时53分59秒   104       541      0.33      0.00  rsyslogd
13时53分59秒     0       549      0.33      0.00  wpa_supplicant
13时53分59秒     0      5102      2.31      0.33  kworker/1:1-events
13时53分59秒     0      5576      1.98      0.00  kworker/u4:0-events_freezable_power_
13时53分59秒  1000      5707      0.33      0.00  pidstat

• cswch: 每秒自愿上下文切换的次数（资源不足时，进程自愿上下文切换）
• nvcswch: 每秒非自愿上下文切换的次数（时间片到期等原因，被系统强制调度而发生的上下文切换）

查看系统中断情况

# 持续查看/proc/interrupts, 并高亮变化的地方
watch -d cat /proc/interrupts

           CPU0       CPU1
  0:         29          0   IO-APIC   2-edge      timer
  1:        602          0   IO-APIC   1-edge      i8042
  8:          0          0   IO-APIC   8-edge      rtc0
  9:          0          0   IO-APIC   9-fasteoi   acpi
 12:          0        366   IO-APIC  12-edge      i8042
 14:          0          0   IO-APIC  14-edge      ata_piix
 15:          0       2563   IO-APIC  15-edge      ata_piix
 18:          0          2   IO-APIC  18-fasteoi   vboxvideo
 19:      13747      23341   IO-APIC  19-fasteoi   enp0s3
 20:       8310          0   IO-APIC  20-fasteoi   vboxguest
 21:      17084      18354   IO-APIC  21-fasteoi   ahci[0000:00:0d.0], snd_intel8x0
 22:         25          0   IO-APIC  22-fasteoi   ohci_hcd:usb1
NMI:          0          0   Non-maskable interrupts
LOC:     309756     154510   Local timer interrupts
SPU:          0          0   Spurious interrupts
PMI:          0          0   Performance monitoring interrupts
IWI:          0          0   IRQ work interrupts
RTR:          0          0   APIC ICR read retries
RES:      95556      93683   Rescheduling interrupts
CAL:       7548       8726   Function call interrupts
TLB:       7126       6564   TLB shootdowns
TRM:          0          0   Thermal event interrupts
THR:          0          0   Threshold APIC interrupts
DFR:          0          0   Deferred Error APIC interrupts
MCE:          0          0   Machine check exceptions
MCP:          9          9   Machine check polls
ERR:          0
MIS:          0
PIN:          0          0   Posted-interrupt notification event
NPI:          0          0   Nested posted-interrupt event
PIW:          0          0   Posted-interrupt wakeup event

• RES：重调度中断。表示唤醒空闲状态的CPU来调度新的任务运行。

参考

• 极客时间 - linux性能优化实战