linux cpu上下文切换简介

Dear 丶 2021-09-07 06:15 349阅读 0赞

**目录**

什么是CPU上下文

什么是CPU上下文切换

进程上下文切换

线程上下文切换

中断上下文切换

linux的上下文切换查看

上下文切换次数多少合理？

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## 什么是CPU上下文 ##

Linux是一个多任务操作系统，它支持远大于CPU核心数的任务同时进行。当然，这些任务并不是真的同时在运行，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。

每个任务在运行前，CPU都需要知道任务从哪来加载，又从哪里开始运行，也就是说，需要事先帮它们设置好**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、但速度快的内存，用来**临时存放指令执行运行过程中的操作数**和**中间**（**最终**）的操作**结果**。

**程序计数器**：是用来存储CPU正在运行的指令位置、或者即将执行的下一条指令位置。

**CPU寄存器**和**程序计数器**是CPU运行任何任务前，必须依赖的环境，也被**称**作**CPU上下文**。

## 什么是CPU上下文切换 ##

**把前一个任务的CPU上下文**（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**，运行新的任务。

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。

CPU的上下文切换可以分为几个不同的场景：**进程上下文切换**、**线程上线文切换**、**中断上下文切换**；

## 进程上下文切换 ##

**系统调用时的切换**

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。一些特殊的操作如调用open()打开文件等 都需要切换到内核空间运行，用户空间是没有权限调用这些的。

也就是说，进程既可以在用户空间运行，又可以在内核空间运行。在用户空间运行即为用户态，而陷入内核空间的时候，即为内核态。这种从用户态切换到内核态时，必须经过系统调用来完成。

系统调用需要上下文切换。切换时，**先保存**CPU寄存器里原来**用户态**的**指令位置**。接着，为了执行内核态代码，CPU寄存器需要**更新**为**内核态**执行的**新位置**。最后才是**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。**

需要注意的是，系统调用过程中，并不会涉及到虚拟内存等进程用户态的资源，也不会进行切换进程。这跟我们通常说的进程上下文切换是不一样的。

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。

**进程的切换**

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。所以，进程的上下文不仅包括虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源，还包括内核堆栈、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。

**发生进程上下文切换的场景**

1.  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。
2.  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。
3.  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。
4.  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
5.  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 ##

线程与进程的最大区别：**线程是调度的基本单位，而进程是资源拥有的基本单位**。也就是说，**内核中任务调度，实际上调度的对象是线程**；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，这些线程就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时不需要修改的；
 *  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。

这么一来，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，所以切换过程跟进程上下文切换一样；

第二种：前后两个线程属于同一个进程。此时，因为虚拟内存时共享的，所以在切换时，虚拟内存这些资源保持不动，只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据。

到这里，你可以发现，同进程内的线程切换，比多进程间的线程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 ##

这个我就不讲了，中断的概念我都不知道。不误人子弟了。

## linux的上下文切换查看 ##

使用性能监控工具vmstat可以查看上下文切换次数

[root@VM-0-3-centos ~]# vmstat 1  
    procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
     r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st
     4  0      0  93524 154972 1056052    0    0     9    34    0    2  1  1 98  0  0
     0  0      0  93260 154972 1056052    0    0     0    64  554 1087  1  2 97  0  0
     0  0      0  93260 154972 1056056    0    0     0     0  185  353  1  1 98  0  0
     0  0      0  93276 154972 1056056    0    0     0     0  146  307  0  0 100  0  0
     0  0      0  93276 154972 1056056    0    0     0     0  159  322  0  0 100  0  0
     0  0      0  93228 154972 1056056    0    0     0    12  207  419  1  1 98  0  0
     0  0      0  93260 154972 1056056    0    0     0     0  181  364  0  0 100  0  0
     0  0      0  93224 154976 1056052    0    0     0    44  215  417  1  1 97  1  0

**cs-每秒上下文切换次数**

**in-每秒中断数**

**r-就绪队列长度（正在运行或正在等待CPU的进程数）**

**b-不可中断睡眠进程数**

**us-用户态CPU使用率**

**sy-系统CPU使用率，一般为内核占用**

如果发现cs列上下文切换次数过高（超过1万以上，经验值），就需要用pidstat -w 5查看进程上下文切换次数了。（yum install sysstat）

[root@VM-0-3-centos ~]# pidstat -w 5
    Linux 3.10.0-1062.18.1.el7.x86_64 (VM-0-3-centos) 	01/28/2021 	_x86_64_	(1 CPU)
    
    08:07:20 PM   UID       PID   cswch/s nvcswch/s  Command
    08:07:25 PM     0         1      1.00      0.00  systemd
    08:07:25 PM     0         6      3.21      0.00  ksoftirqd/0
    08:07:25 PM     0         9     28.46      0.00  rcu_sched
    08:07:25 PM     0        11      0.20      0.00  watchdog/0
    08:07:25 PM     0        98      1.40      0.00  kauditd
    08:07:25 PM     0       301      0.80      0.00  kworker/0:1H
    08:07:25 PM     0       313      0.60      0.00  jbd2/vda1-8
    08:07:25 PM     0       401      0.60      0.00  systemd-journal
    08:07:25 PM     0       598      1.40      0.00  auditd
    08:07:25 PM     0      1389      0.40      0.00  sshd
    08:07:25 PM     0      4770      0.20      0.00  barad_agent
    08:07:25 PM     0      4776      1.00      0.00  barad_agent
    08:07:25 PM     0     16416      0.20      0.00  sshd
    08:07:25 PM     0     18823      0.20      0.00  pidstat
    08:07:25 PM     0     20253      0.40      0.00  kworker/0:0
    08:07:25 PM     0     21221      3.01      0.00  kworker/0:2
    08:07:25 PM     0     26724      0.20      0.00  kworker/u2:2
    08:07:25 PM     0     27574      0.20      0.00  YDEdr

*  cswch/s：每秒自愿上下文切换次数；
 *  nvcswch/s：每秒非自愿上下文切换次数。

自愿切换与非自愿切换的差异：

*  **自愿上下文切换，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（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，导致大量上下文切换；而上下文切换又会导致系统 CPU 的占用率升高）。

查看单个进程切换次数

[root@VM-0-3-centos ~]# pidstat -w -p 9 1 10
    Linux 3.10.0-1062.18.1.el7.x86_64 (VM-0-3-centos) 	01/28/2021 	_x86_64_	(1 CPU)
    
    08:12:57 PM   UID       PID   cswch/s nvcswch/s  Command
    08:12:58 PM     0         9     39.00      0.00  rcu_sched
    08:12:59 PM     0         9     19.19      0.00  rcu_sched
    08:13:00 PM     0         9     42.00      0.00  rcu_sched
    08:13:01 PM     0         9     48.48      0.00  rcu_sched
    08:13:02 PM     0         9     15.00      0.00  rcu_sched
    08:13:03 PM     0         9     14.00      0.00  rcu_sched
    08:13:04 PM     0         9     31.00      0.00  rcu_sched
    ^C
    Average:        0         9     29.80      0.00  rcu_sched

9是进程PID 1是每秒刷新一次 10输出10次

## 上下文切换次数多少合理？ ##

**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。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，很可能已经出现了性能问

题。