Linux之 CPU上下文切换

发布于:2021-10-27 18:17:10


经常说的 CPU 上下文切换是什么意思?
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。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。
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。


其实,CPU 上下文切换无非就是更新了 CPU 寄存器的值嘛,但这些寄存器,本身就是为了快速运行任务而设计的,为什么会影响系统的 CPU 性能呢?
1.操作系统管理的这些“任务”到底是什么呢?
根据任务的不同,CPU 的上下文切换就可以分为几个不同的场景,也就是进程上下文切换、线程上下文切换以及中断上下文切换。


进程上下文切换
? ? 从用户态到内核态的转变,需要通过系统调用来完成。一次系统调用的过程,其实是发生了两次 CPU 上下文切换。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。系统调用过程通常称为特权模式切换,而不是上下文切换。


? ?进程上下文切换跟系统调用又有什么区别呢?
? ? ?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。


触发进程调度的场景:
其一,为了保证所有进程可以得到公*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。


其二,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。


其三,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。


其四,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。


最后一个,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
线程是调度的基本单位,而进程则是资源拥有的基本单位。
对于线程和进程,可以这么理解:
1.当进程只有一个线程时,可以认为进程就等于线程。
2.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。
3.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。


线程的上下文切换其实就可以分为两种情况:
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。
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。


中断上下文切换
中断上下文切换并不涉及到进程的用户态。
对同一个 CPU 来说,中断处理比进程拥有更高的优先级
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



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。
? ?命令 vmstat 5 ?表示每隔5秒输出1组数据
? ?procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
? ?r ?b ? swpd ? free ? buff ?cache ? si ? so ? ?bi ? ?bo ? in ? cs us sy id wa st
? ?需要特别关注的四列内容:


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。



查看每个进程的详细情况, pidstat 。?
-w 选项,就可以查看每个进程上下文切换的情况。
?-t 参数,输出线程的指标。
?pidstat -w 5 每隔5秒输出1组数据
? UID ? ? ? PID ? cswch/s nvcswch/s ?Command
? 一个是 cswch ,表示每秒自愿上下文切换(voluntary context switches)的次数,另一个则是 nvcswch ,表示每秒非自愿上下文切换(non voluntary context switches)的次数。


? /proc 实际上是 Linux 的一个虚拟文件系统,用于内核空间与用户空间之间的通信。/proc/interrupts 就是这种通信机制的一部分,提供了一个只读的中断使用情况。


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重调度中断(RES),这个中断类型表示,唤醒空闲状态的 CPU 来调度新的任务运行。这是多处理器系统(SMP)中,调度器用来分散任务到不同 CPU 的机制,通常也被称为处理器间中断(Inter-Processor Interrupts,IPI)。


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