詳細(xì)解讀Linux CPU的上下文切換過程

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(yùn)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(shí)際上并不是同時運(yùn)行的（Single CPU），而是因?yàn)橄到y(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(yùn)行的假象。

CPU 上下文（CPU Context）

在每個任務(wù)運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)行。當(dāng)一個進(jìn)程在用戶空間運(yùn)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(yùn)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(yùn)行進(jìn)程。

因此，在一次系統(tǒng)調(diào)用的過程中，實(shí)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(yùn)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(shí)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(fèi)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(yùn)行？其實(shí)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，并切換到其它等待 CPU 運(yùn)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(yùn)行。此時進(jìn)程也會被掛起，系統(tǒng)會調(diào)度其它進(jìn)程運(yùn)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(yùn)行時，為了保證高優(yōu)先級進(jìn)程的運(yùn)行，當(dāng)前進(jìn)程會被高優(yōu)先級進(jìn)程掛起運(yùn)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?yàn)橐坏┥舷挛那袚Q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(shí)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(shí)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。

問題排查

工具

vmstat ——是一個常用的系統(tǒng)性能分析工具，主要用來分析系統(tǒng)的內(nèi)存使用情況，也常用來分析CPU上下文切換和中斷的次數(shù)。

pidstat ——vmstat只給出了系統(tǒng)總體的上下文切換情況，要想查看每個進(jìn)程的詳細(xì)情況，就需要使用pidstat，加上-w，可以查看每個進(jìn)程上下文切換的情況。

/proc/interrupts——/proc實(shí)際上是linux的虛擬文件系統(tǒng)用于內(nèi)核空間和用戶空間的通信，/proc/interrupts是這種通信機(jī)制的一部分，提供了一個只讀的中斷使用情況。

perf stat 可以統(tǒng)計很多和 CPU 相關(guān)核心數(shù)據(jù)，比如 cache' miss，上下文切換，CPI 等。

實(shí) 戰(zhàn)

vmstat:

#每隔1秒輸出1組數(shù)據(jù)（需要Ctrl+C才結(jié)束）
$vmstat1
procs-----------memory-------------swap-------io-----system--------cpu-----
rbswpdfreebuffcachesisobiboincsussyidwast
600648742811824012927720000901913988301684000
8006487428118240129277200001019113923121684000
cs（contextswitch）是每秒上下文切換的次數(shù)
in(interrupt)每秒中斷的次數(shù)
r (Running or Runnnable)是就緒隊(duì)列的長度，也就是正在運(yùn)行和等待CPU的進(jìn)程數(shù)。
b(Blocked)則是處于不可中斷睡眠狀態(tài)的進(jìn)程數(shù)
分析：
查看cs大?。▽?shí)驗(yàn)時cs驟升到百萬）
同時注意r列（實(shí)驗(yàn)時為8），機(jī)器cpu為1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過1，必然會有大量的CPU競爭
us和sy列，計算cpu使用率總和（實(shí)驗(yàn)加起來快100%，其中sy高達(dá)84%，說明cpu主要被內(nèi)核占用）
in列，查看大?。▽?shí)驗(yàn)中驟升到一萬，說明中斷處理也是潛在的問題）
綜合可知，系統(tǒng)的就需隊(duì)列過長，也就是正在運(yùn)行和等待CPU的進(jìn)程數(shù)過多，導(dǎo)致了大量的上下文切換，而上下文切換導(dǎo)致了cpu占用率高

pidstat查看進(jìn)程上下文切換情況：

#每隔1秒輸出1組數(shù)據(jù)（需要Ctrl+C才結(jié)束）
#-w參數(shù)表示輸出進(jìn)程切換指標(biāo)，而-u參數(shù)則表示輸出CPU使用指標(biāo)
$pidstat-w-u1
08:06:33UIDPID%usr%system%guest%wait%CPUCPUCommand
08:06:3401048830.00100.000.000.00100.000sysbench
08:06:340263260.001.000.000.001.000kworker/u4:2

08:06:33UIDPIDcswch/snvcswch/sCommand
08:06:340811.000.00rcu_sched
08:06:340161.000.00ksoftirqd/1
08:06:3404711.000.00hv_balloon
08:06:34012301.000.00iscsid
08:06:34040891.000.00kworker/1:5
08:06:34043331.000.00kworker/0:3
08:06:340104991.00224.00pidstat
08:06:34026326236.000.00kworker/u4:2
08:06:34100026784223.000.00sshd
cswch 表示每秒自愿上下文切換的次數(shù)，是指進(jìn)程無法獲取所需資源，導(dǎo)致的上下文切換，比如說，I/O，內(nèi)存等系統(tǒng)資源不足時，就會發(fā)生自愿上下文切換。
nvcswch 表示每秒非自愿上下文切換的次數(shù)，則是指進(jìn)程由于時間片已到等原因，被系統(tǒng)強(qiáng)制調(diào)度，進(jìn)而發(fā)生的上下文切換。
分析：
pidstat查看果然是sysbench導(dǎo)致了cpu達(dá)到100%，但上下文切換來自其他進(jìn)程，包括非自愿上下文切換最高的pidstat，以及自愿上下文切換最高的kworker和sshd
但pidtstat輸出的上下文切換次數(shù)加起來才幾百和vmstat的百萬明顯小很多，現(xiàn)在vmstat輸出的是線程，而pidstat加上-t后才輸出線程指標(biāo)

#每隔1秒輸出一組數(shù)據(jù)（需要Ctrl+C才結(jié)束）
#-wt參數(shù)表示輸出線程的上下文切換指標(biāo)
$pidstat-wt1
08:14:05UIDTGIDTIDcswch/snvcswch/sCommand
...
08:14:05010551-6.000.00sysbench
08:14:050-105516.000.00|__sysbench
08:14:050-1055218911.00103740.00|__sysbench
08:14:050-1055318915.00100955.00|__sysbench
08:14:050-1055418827.00103954.00|__sysbench
...
pidstat子線程加一起就差不多百萬了。

看中斷——可排查是哪些中斷引起的（變化速度最快的）：

#-d參數(shù)表示高亮顯示變化的區(qū)域
$watch-dcat/proc/interrupts
CPU0CPU1
...
RES:24504315279697Reschedulinginterrupts
...

觀察一段時間后，可以發(fā)現(xiàn)變化最快的是重新調(diào)度中斷（RES, REScheduling interrupt）。這種中斷類型表明處于空閑狀態(tài)的 CPU 被喚醒以調(diào)度新的任務(wù)運(yùn)行。所以這里的中斷增加是因?yàn)樘嗟娜蝿?wù)調(diào)度問題，這和前面上下文切換次數(shù)的分析結(jié)果是一致的。

現(xiàn)在回到最初的問題，每秒多少次上下文切換是正常的？

這個值實(shí)際上取決于系統(tǒng)本身的 CPU 性能。如果系統(tǒng)的上下文切換次數(shù)比較穩(wěn)定的話，幾百到一萬應(yīng)該是正常的。但是，當(dāng)上下文切換次數(shù)超過10000，或者切換次數(shù)快速增加時，很可能是出現(xiàn)了性能問題。

perf stat 可以排查系統(tǒng)上下文切換速率變化：

可以觀察 context-switcehes 數(shù)據(jù)的變化，有沒有突增，可以發(fā)現(xiàn)一些異常想象。

場 景

根據(jù)調(diào)度策略，將 CPU 時間劃片為對應(yīng)的時間片，當(dāng)時間片耗盡，當(dāng)前進(jìn)程必須掛起。

資源不足的，在獲取到足夠資源之前進(jìn)程掛起。

進(jìn)程 sleep 掛起進(jìn)程。

高優(yōu)先級進(jìn)程導(dǎo)致當(dāng)前進(jìn)度掛起。

硬件中斷，導(dǎo)致當(dāng)前進(jìn)程掛起。

小 結(jié)

CPU 上下文切換，是保證 Linux 系統(tǒng)正常工作的核心功能之一，一般情況下不需要我們特別關(guān)注。

但過多的上下文切換，會把 CPU 時間消耗在寄存器，內(nèi)核棧以及虛擬內(nèi)存等數(shù)據(jù)的保存和恢復(fù)上，從而縮短進(jìn)程真正運(yùn)行的時間，導(dǎo)致系統(tǒng)的整體性能大幅下降。

自愿上下文切換變多了，說明進(jìn)程都在等待資源，有可能發(fā)生了 I/O 等其他問題。

非自愿上下文切換變多了，說明進(jìn)程都在被強(qiáng)制調(diào)度，也就是都在爭搶 CPU，說明 CPU 的確成了瓶頸。

中斷次數(shù)變多了，說明 CPU 被中斷處理程序占用，還需要通過查看 /proc/interrupts 文件來分析具體的中斷類型。

審核編輯 ：李倩