如何理解

  • Linux 中 CPU 轮流分配给多任务，
  • 而在每个任务运行前，CPU 都需要知道任务从哪里加载、从哪里开始运行，需要系统事先设置好 **CPU 寄存器**和**程序计数器**。
    • CPU 寄存器是 CPU 内置的容量小、速度极快的内存。
    • 而程序计数器则是用来存储 CPU 正在执行的指令位置、或即将执行的下一条指令位置。
  • 它们都是 CPU 在运行任务前必须依赖的环境，也被叫做 CPU 上下文。
  • 上下文切换，就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这些寄存器和程序计数器，最后再跳到程序计数器所指的新位置，运行新任务。而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。

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，也就是：

  • 进程上下文切换、
  • 线程上下文切换、
  • 中断上下文切换。

3 种场景

进程上下文切换

系统调用

系统调用的过程中并不会涉及虚拟内存等进程用户态的资源，也不会切换进程，这和平时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
  • 系统调用过程中一直是同一个进程在运行
    因此，系统调用的过程通常称为特权模式切换，而不是上下文切换。

如何切换和代价

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，因此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。

  • 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。
      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。
      据测试，每次上下文切换都需要几十纳秒到数微秒的 CPU 时间。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 将大量时间消耗在寄存器、内核栈、虚拟内存等资源的保存和恢复上，从而大大缩短了真正运行进程的时间。
      Linux 通过 TLB 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它处理器的进程。

何时切换

Linux 为每个 CPU 维护了一个就绪队列，将活跃进程按照优先级和等待 CPU 的时间排序，选择优先级最高和等待 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？

  • 进程执行完终止了，它之前使用的 CPU 会释放出来，这时再从就绪队列中拿一个新的进程来运行
  • 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，这些时间片被轮流分配给各个进程。当某个进程时间片耗尽了就会被系统挂起，切换到其它等待 CPU 的进程运行。
  • 进程在系统资源不足时，要等待资源满足后才可以运行，这时进程也会被挂起，并由系统调度其它进程运行。
  • 当进程通过睡眠函数 sleep 主动挂起时，也会重新调度。
  • 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，由高优先级进程来运行。
  • 发生硬件中断时，CPU 上的进程会被中断挂起，转而执行内核中的中断服务程序。

线程上下文切换

线程与进程最大的区别在于，

  • 线程是操作系统调度的最小单位，
  • 而进程是操作系统分配资源的最小单位。

所谓内核调度，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。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。

其实线程的上下文切换可以分为两种情况：

  • 前后两个线程属于不同进程。此时因为资源不共享，所以切换过程就跟进程上下文切换是一样的。
  • 前后两个线程属于同一个进程。此时虚拟内存是共享的，上下文切换时，虚拟内存这些资源保持不动，只需要切换线程的私有数、寄存器等不共享的数据。
    可以发现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，这也正是多线程代替多进程的一个优势。

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。而在打断其它进程时，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，由于中断会打断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。
  • 跟进程上下文切换一样，中断上下文切换也需要消耗 CPU，当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。

概念小结

总结一下，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我们无需特别关注。
  • 过多的上下文切换，会把 CPU 时间消耗在寄存器、内核栈、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。

查看情况

我们可以通过 vmstat 工具来查看系统的上下文切换情况。vmstat 主要用来分析系统内存使用情况，也常用来分析 CPU 上下文切换和中断的次数。

每秒上下文切换多少次算正常

这个数值其实取决于系统本身的 CPU 性能。如果系统的上下文切换次数比较稳定，从数百到一万以内，都应该算是正常的。如果当上下文切换次数超过一万次，或者切换次数出现数量级增长时，很可能已经出现了性能问题。
这时，你还需要根据上下文切换的类型，再做具体分析，比方说：

  • 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 IO 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 文件来分析具体的中断类型。