Linux性能优化-CPU上下文切换

什么是CPU上下文切换

我们都知道，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。
而在每个任务运行前，CPU 都需要知道任务从哪里加载、又从哪里开始运行，也就是说，需要系统事先帮它设置好 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。

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。

知道了什么是 CPU 上下文，我想你也很容易理解 CPU 上下文切换。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。

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。

上下文切换的时机

• 根据调度策略，将CPU时间划片为对应的时间片，当时间片耗尽，就需要进行上下文切换
• 进程在系统资源不足，会在获取到足够资源之前进程挂起
• 进程通过sleep函数将自己挂起
• 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,也就是被抢占
• 当发生硬件中断时，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

上下文切换分类

我们之前讲过的 任务 到底是什么呢？

• 进程和线程是最常见的任务
• 硬件通过触发信号，会导致中断处理程序的调用，也是一种常见的任务

所以，根据任务的不同，CPU 的上下文切换可以分为不同的场景

• 进程上下文切换
• 线程上下文切换
• 中断上下文切换

进程上下文切换

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。

从用户态到内核态的转变，需要通过系统调用来完成。

系统调用举例:
当我们查看文件内容时， 需要多次系统调用来完成：

1. 首先调用 open() 打开文件，
2. 然后调用 read() 读取文件内容，
3. 并调用 write() 将内容写到标准输出，
4. 最后再调用 close() 关闭文件。

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

1. CPU 寄存器里原来用户态的指令位置，需要先保存起来
2. 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
3. 最后才是跳转到内核态运行内核任务
4. 系统调用结束后，CPU 寄存器需要恢复原来保存的用户态
5. 然后再切换回用户空间，继续运行进程

系统调用和进程上下文切换的不同

1. 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。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。

2. 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。

线程上下文切换

线程与进程最大的区别在于，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。所以，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

这么一来，线程的上下文切换其实就可以分为两种情况：

1. 第一种， 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。
2. 第二种，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，所以在切换时，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。

到这里你应该也发现了，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。

中断上下文切换

硬件通过触发信号，向CPU发送中断信号，导致内核调用中断处理程序，进入内核空间。这个过程中，硬件的一些变量和参数也要传递给内核， 内核通过这些参数进行中断处理。 中断处理会打断进程的正常调度和执行，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

例如，A进程启动写磁盘操作，A进程睡眠后B进程在运行，当磁盘写完后磁盘中断信号打断的是B进程，在中断处理时会唤醒A进程。

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。同样道理，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。

另外，跟进程上下文切换一样，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。

怎么查看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。

# 每隔 5 秒输出 1 组数据
[root@iZwz91q87vgg7bo2ixi9wjZ ~]# 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
 1  0      0 699592  61624 750376    0    0     5     3   83   75  1  1 98  0  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。

[root@iZwz91q87vgg7bo2ixi9wjZ ~]# pidstat -w 5
Linux 3.10.0-1160.11.1.el7.x86_64 (iZwz91q87vgg7bo2ixi9wjZ) 	2021年11月23日 	_x86_64_	(2 CPU)
16时12分42秒   UID       PID   cswch/s nvcswch/s  Command
16时12分47秒     0         9     43.71      0.00  rcu_sched

这个结果中有两列内容是我们的重点关注对象。

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

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。

非自愿上下文切换

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

案例分析

知道了怎么查看这些指标，另一个问题又来了，上下文切换频率是多少次才算正常呢？
我们使用 sysbench 来模拟系统多线程调度切换的情况。

sysbench 介绍

• 一个多线程的基准测试工具（前面讲的 stress 是多进程）
• 一般用来评估不同系统参数下的数据库负载情况
• 在接下来的案例中，主要是当成一个异常进程来看，作用是模拟上下文切换过多的问题

安装sysbench

yum install sysbench

测试CPU上下文切换次数升高

1. 以 10 个线程运行 5 分钟的基准测试，模拟多线程切换的问题

sysbench --threads=10 --max-time=300 threads run

2. 在第二个终端运行 vmstat ，观察上下文切换情况
   

结果分析:

• cs 列：上下文切换次数从之前 130 骤然上升到了 140w+...
• r 列：就绪队列的长度最大到 10了，大于我们的 CPU 个数 2，所以会存在大量的 CPU 竞争
• us、sy 列：两列的 CPU 使用率加起来上升到了 80-90，其中系统 CPU 使用率都是 60%+，说明 CPU 主要是被内核占用了
• in 列：中断次数已经达到 3000, 说明中断处理也是个潜在的问题

总结

通过这个案例，你应该也发现了多工具、多方面指标对比观测的好处。如果最开始时，我们只用了 pidstat 观测，这些很严重的上下文切换线程，压根儿就发现不了了。

现在再回到最初的问题，每秒上下文切换多少次才算正常呢？
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，那么从数百到一万以内，都应该算是正常的。但当上下文切换次数超过一万次，或者切换次数出现数量级的增长时，就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 I/O 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。