深入理解Linux的CPU上下文切换
发布时间：2020-03-14 16:56:48 所属栏目：资源 来源：站长网
导读：如何理解 Linux 的上下文切换 Linux 是一个多任务 操作系统 ，它支持同时运行的任务数量远大于 CPU 个数。其实这些任务没有真正的同时运行，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
如何理解Linux的上下文切换 Linux 是一个多任务操作系统，它支持同时运行的任务数量远大于 CPU 个数。其实这些任务没有真正的同时运行，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、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。  进程上下文切换 1. 用户空间与内核空间 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 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内核中才能访问这些特权资源。 进程既可以在用户空间运行，又可以在内核空间运行。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。 2. 系统调用 从用户态到内核态的转变，需要通过系统调用来完成。比如查看文件时，需要执行多次系统调用：open、read、write、close等。系统调用的过程如下： 首先，把 CPU 寄存器里原来用户态的指令位置保存起来 为了执行内核代码，CPU 寄存器需要更新为内核态指令的新位置，最后跳转到内核态运行内核任务。 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。 但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。 3. 进程上下文切换 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妙的 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。 4. 进程上下文何时切换 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，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。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时需要保存的。 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。 如何查看系统的上下文切换 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。 我们需要重点关注下列四项内容： cs(context switch) 是每秒上下文切换的次数。 in(interrupt) 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) 是处于不可中断睡眠状态的进程数。 想要查看每个进程的详细情况，需要使用 pidstat，给它加上 -w 选项，就可以查看每个进程上下文切换的情况。 上述结果有两列是我们重点关注的对象，一个是 cswch，表示每秒自愿上下文切换的次数;另一个是 nvcswch，表示每秒非自愿上下文切换的次数。 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，IO、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，则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，大量进程都在抢占 CPU 时，就容易发生非自愿上下文切换。 案例分析 1. 准备环境 sysbench 是一个多线程的基准测试工具，一般用来评估不同系统参数下的数据库负载情况，本次案例把它当作一个异常进程来看，作用是模拟上下文切换过多的问题。 2. 操作和分析 首先在第一个终端里运行 sysbench，模拟系统多线程调度的瓶颈： 接着在第二个终端运行 vmstat，观察上下文切换情况： 可以发现，cs 列的上下文切换次数从之前的 35 上升到了 139 万，观察其他几个指标： r 列：就绪队列长度为 8，远大于 CPU 个数，所以会有大量的 CPU 竞争 us 和 sys 列：这两列加一起上升到 100%，sys 列高达 84%，说明 CPU 主要是被内核占用了。 in 列：中断次数为 1 万左右，说明中断也是个潜在的问题。 综合分析，由于系统的就绪队列过长，也就是正在运行和等待 CPU 的进程数过多，导致了大量的上下文切换，而上下文切换又导致了系统 CPU 的占用率升高。 我们可以使用 pidstat 继续分析到底是哪个进程导致了这些问题? 可以发现，CPU 使用率的升高是 sysbench 导致的，但上下文切换则来自其他进程，包括非自愿上下文切换频率最高的 pidstat，以及自愿上下文切换频率最高的内核线程 kworker 和 sshd。 默认 pidstat 显示进程的指标数据，加上 -t 参数后，才会输出线程的指标 虽然 sysbench 进程的上下文切换次数不多，但它的子线程的上下文切换次数非常多，可以判定上下文切换罪魁祸首的是 sysbench 进程。还没完，记得我们通过 vmstat 看到的中断次数到了 1 万，到底是什么类型的中断上升了呢? 我们可以通过 /proc/interrupts 来读取中断的使用情况，通过运行下面的命令： 可以发现，变化速度最快的是重调度中断(RES)，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队列到不同 CPU 的机制，通常也被称为处理器间中断。根本原因还是因为过多任务的调度问题，跟前边分析结果是一致的。 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。（编辑：新余站长网） 【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容! |