Linux CPU的上下文切換

我們都知道 Linux 是一個多任務(wù)操作系統(tǒng)，它支持的任務(wù)同時運行的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 CPU 的數(shù)量。當(dāng)然，這些任務(wù)實際上并不是同時運行的（Single CPU），而是因為系統(tǒng)在短時間內(nèi)將 CPU 輪流分配給任務(wù)，造成了多個任務(wù)同時運行的假象。

CPU 上下文（CPU Context）

在每個任務(wù)運行之前，CPU 需要知道在哪里加載和啟動任務(wù)。這意味著系統(tǒng)需要提前幫助設(shè)置 CPU 寄存器和程序計數(shù)器。

CPU 寄存器是內(nèi)置于 CPU 中的小型但速度極快的內(nèi)存。程序計數(shù)器用于存儲 CPU 正在執(zhí)行的或下一條要執(zhí)行指令的位置。

它們都是 CPU 在運行任何任務(wù)之前必須依賴的依賴環(huán)境，因此也被稱為 “CPU 上下文”。如下圖所示：

知道了 CPU 上下文是什么，我想你理解CPU 上下文切換就很容易了?！癈PU上下文切換”指的是先保存上一個任務(wù)的 CPU 上下文（CPU寄存器和程序計數(shù)器），然后將新任務(wù)的上下文加載到這些寄存器和程序計數(shù)器中，最后跳轉(zhuǎn)到程序計數(shù)器。

這些保存的上下文存儲在系統(tǒng)內(nèi)核中，并在重新安排任務(wù)執(zhí)行時再次加載。這確保了任務(wù)的原始狀態(tài)不受影響，并且任務(wù)似乎在持續(xù)運行。

CPU 上下文切換的類型

你可能會說 CPU 上下文切換無非就是更新 CPU 寄存器和程序計數(shù)器值，而這些寄存器是為了快速運行任務(wù)而設(shè)計的，那為什么會影響 CPU 性能呢？

在回答這個問題之前，請問，你有沒有想過這些“任務(wù)”是什么？你可能會說一個任務(wù)就是一個進(jìn)程或者一個線程。是的，進(jìn)程和線程正是最常見的任務(wù)，但除此之外，還有其他類型的任務(wù)。

別忘了硬件中斷也是一個常見的任務(wù)，硬件觸發(fā)信號，會引起中斷處理程序的調(diào)用。

因此，CPU 上下文切換至少有三種不同的類型：

進(jìn)程上下文切換

線程上下文切換

中斷上下文切換

讓我們一一來看看。

進(jìn)程上下文切換

Linux 按照特權(quán)級別將進(jìn)程的運行空間劃分為內(nèi)核空間和用戶空間，分別對應(yīng)下圖中 Ring 0 和 Ring 3 的 CPU 特權(quán)級別的 。

內(nèi)核空間（Ring 0）擁有最高權(quán)限，可以直接訪問所有資源

用戶空間（Ring 3）只能訪問受限資源，不能直接訪問內(nèi)存等硬件設(shè)備。它必須通過系統(tǒng)調(diào)用被陷入（trapped）內(nèi)核中才能訪問這些特權(quán)資源。

從另一個角度看，一個進(jìn)程既可以在用戶空間也可以在內(nèi)核空間運行。當(dāng)一個進(jìn)程在用戶空間運行時，稱為該進(jìn)程的用戶態(tài)，當(dāng)它落入內(nèi)核空間時，稱為該進(jìn)程的內(nèi)核態(tài)。

從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的轉(zhuǎn)換需要通過系統(tǒng)調(diào)用來完成。例如，當(dāng)我們查看一個文件的內(nèi)容時，我們需要以下系統(tǒng)調(diào)用：

open()：打開文件

read()：讀取文件的內(nèi)容

write()：將文件的內(nèi)容寫入到輸出文件（包括標(biāo)準(zhǔn)輸出）

close()：關(guān)閉文件

那么在上述系統(tǒng)調(diào)用過程中是否會發(fā)生 CPU 上下文切換呢？當(dāng)然是的。

這需要先保存 CPU 寄存器中原來的用戶態(tài)指令的位置。接下來，為了執(zhí)行內(nèi)核態(tài)的代碼，需要將 CPU 寄存器更新到內(nèi)核態(tài)指令的新位置。最后是跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核態(tài)運行內(nèi)核任務(wù)。

那么系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束后，CPU 寄存器需要恢復(fù)原來保存的用戶狀態(tài)，然后切換到用戶空間繼續(xù)運行進(jìn)程。

因此，在一次系統(tǒng)調(diào)用的過程中，實際上有兩次 CPU 上下文切換。

但需要指出的是，系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)程不會涉及進(jìn)程切換，也不會涉及虛擬內(nèi)存等系統(tǒng)資源切換。這與我們通常所說的“進(jìn)程上下文切換”不同。進(jìn)程上下文切換是指從一個進(jìn)程切換到另一個進(jìn)程，而系統(tǒng)調(diào)用期間始終運行同一個進(jìn)程

系統(tǒng)調(diào)用過程通常被稱為特權(quán)模式切換，而不是上下文切換。但實際上，在系統(tǒng)調(diào)用過程中，CPU 的上下文切換也是不可避免的。

進(jìn)程上下文切換 vs 系統(tǒng)調(diào)用

那么進(jìn)程上下文切換和系統(tǒng)調(diào)用有什么區(qū)別呢？首先，進(jìn)程是由內(nèi)核管理的，進(jìn)程切換只能發(fā)生在內(nèi)核態(tài)。因此，進(jìn)程上下文不僅包括虛擬內(nèi)存、棧和全局變量等用戶空間資源，還包括內(nèi)核棧和寄存器等內(nèi)核空間的狀態(tài)。

所以進(jìn)程上下文切換比系統(tǒng)調(diào)用要多出一步：

在保存當(dāng)前進(jìn)程的內(nèi)核狀態(tài)和 CPU 寄存器之前，需要保存進(jìn)程的虛擬內(nèi)存、棧等；并加載下一個進(jìn)程的內(nèi)核狀態(tài)。

根據(jù) Tsuna 的測試報告，每次上下文切換需要幾十納秒至微秒的 CPU 時間。這個時間是相當(dāng)可觀的，尤其是在大量進(jìn)程上下文切換的情況下，很容易導(dǎo)致 CPU 花費大量時間來保存和恢復(fù)寄存器、內(nèi)核棧、虛擬內(nèi)存等資源。這正是我們在上一篇文章中談到的，一個導(dǎo)致平均負(fù)載上升的重要因素。

那么，該進(jìn)程何時會被調(diào)度/切換到在 CPU 上運行？其實有很多場景，下面我為大家總結(jié)一下：

當(dāng)一個進(jìn)程的 CPU 時間片用完時，它會被系統(tǒng)掛起，并切換到其他等待 CPU 運行的進(jìn)程。

當(dāng)系統(tǒng)資源不足（如內(nèi)存不足）時，直到資源充足之前，進(jìn)程無法運行。此時進(jìn)程也會被掛起，系統(tǒng)會調(diào)度其他進(jìn)程運行。

當(dāng)一個進(jìn)程通過 sleep 函數(shù)自動掛起自己時，自然會被重新調(diào)度。

當(dāng)優(yōu)先級較高的進(jìn)程運行時，為了保證高優(yōu)先級進(jìn)程的運行，當(dāng)前進(jìn)程會被高優(yōu)先級進(jìn)程掛起運行。

當(dāng)發(fā)生硬件中斷時，CPU 上的進(jìn)程會被中斷掛起，轉(zhuǎn)而執(zhí)行內(nèi)核中的中斷服務(wù)程序。

了解這些場景是非常有必要的，因為一旦上下文切換出現(xiàn)性能問題，它們就是幕后殺手。

線程上下文切換

線程和進(jìn)程最大的區(qū)別在于，線程是任務(wù)調(diào)度的基本單位，而進(jìn)程是資源獲取的基本單位。

說白了，內(nèi)核中所謂的任務(wù)調(diào)度，實際的調(diào)度對象是線程；而進(jìn)程只為線程提供虛擬內(nèi)存和全局變量等資源。所以，對于線程和進(jìn)程，我們可以這樣理解：

當(dāng)一個進(jìn)程只有一個線程時，可以認(rèn)為一個進(jìn)程等于一個線程

當(dāng)一個進(jìn)程有多個線程時，這些線程共享相同的資源，例如虛擬內(nèi)存和全局變量。

此外，線程也有自己的私有數(shù)據(jù)，比如棧和寄存器，在上下文切換時也需要保存。

這樣，線程的上下文切換其實可以分為兩種情況：

首先，前后兩個線程屬于不同的進(jìn)程。此時，由于資源不共享，切換過程與進(jìn)程上下文切換相同。

其次，前后兩個線程屬于同一個進(jìn)程。此時，由于虛擬內(nèi)存是共享的，所以切換時虛擬內(nèi)存的資源保持不變，只需要切換線程的私有數(shù)據(jù)、寄存器等未共享的數(shù)據(jù)。

顯然，同一個進(jìn)程內(nèi)的線程切換比切換多個進(jìn)程消耗的資源要少。這也是多線程替代多進(jìn)程的優(yōu)勢。

中斷上下文切換

除了前面兩種上下文切換之外，還有另外一種場景也輸出 CPU 上下文切換的，那就是中斷。

為了快速響應(yīng)事件，硬件中斷會中斷正常的調(diào)度和執(zhí)行過程，進(jìn)而調(diào)用中斷處理程序。

在中斷其他進(jìn)程時，需要保存進(jìn)程的當(dāng)前狀態(tài)，以便中斷后進(jìn)程仍能從原始狀態(tài)恢復(fù)。

與進(jìn)程上下文不同，中斷上下文切換不涉及進(jìn)程的用戶態(tài)。因此，即使中斷進(jìn)程中斷了處于用戶態(tài)的進(jìn)程，也不需要保存和恢復(fù)進(jìn)程的虛擬內(nèi)存、全局變量等用戶態(tài)資源。

另外，和進(jìn)程上下文切換一樣，中斷上下文切換也會消耗 CPU。過多的切換次數(shù)會消耗大量的 CPU 資源，甚至嚴(yán)重降低系統(tǒng)的整體性能。因此，當(dāng)您發(fā)現(xiàn)中斷過多時，需要注意排查它是否會對您的系統(tǒng)造成嚴(yán)重的性能問題。

結(jié)論

綜上所述，無論哪種場景導(dǎo)致上下文切換，你都應(yīng)該知道：

CPU 上下文切換是保證 Linux 系統(tǒng)正常運行的核心功能之一，一般不需要我們特別關(guān)注。

但是過多的上下文切換會消耗 CPU 的時間來保存和恢復(fù)寄存器、內(nèi)核棧、虛擬內(nèi)存等數(shù)據(jù)，從而縮短進(jìn)程的實際運行時間，導(dǎo)致系統(tǒng)整體性能顯著下降。

作者：郭主任講網(wǎng)絡(luò)

審核編輯 ：李倩