Linux 性能优化之 CPU 篇 ----- 上下文切换

名词解释

  1. CPU 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。它们都是 CPU 在运行任何任务前,必须的依赖环境,因此也被叫做 CPU 上下文

  2. 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。

  3. 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,必须通过系统调用陷入到内核中,才能访问这些特权资源
    • 换个角度看,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。
  4. 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。

答疑

  1. 系统调用的过程有没有发生 CPU 上下文的切换呢?

    • CPU 寄存器里原来用户态的指令位置,需要先保存起来。接着,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。最后才是跳转到内核态运行内核任务。
    • 而系统调用结束后,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
    • 系统调用过程通常称为特权模式切换,而不是上下文切换
  2. 进程上下文切换跟系统调用又有什么区别呢?

    • 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。
  3. 什么时候会切换进程上下文?

    • 只有在进程调度的时候,才需要切换上下文。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,然后选择最需要 CPU 的进程,也就是优先级最高和等待 CPU 时间最长的进程来运行。
  4. 进程在什么时候才会被调度到 CPU 上运行呢?

    • 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
    • 进程在系统资源不足(比如内存不足)时,要等到资源满足后才可以运行,这个时候进程也会被挂起,并由系统调度其他进程运行。
    • 当进程通过睡眠函数 sleep 这样的方法将自己主动挂起时,自然也会重新调度。
    • 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。
    • 当硬件中断时,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。
  5. 线程与进程的区别是什么?

    • 线程是调度的基本单位,而进程则是资源拥有的基本单位。说白了,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

小技巧与工具


# 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

 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

# 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

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