Linux 上下文切换详细解读

一.CPU上下文简介

1. CPU 上下文分为包含以下两个组合:

1. CPU 指令寄存器（IR）：是 CPU 内置的容量小、但速度极快的内存

2. 程序计数器（PC）：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

2. 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。而保存下来的上下文，会存储在系统内核中，并在任务重新调度执行的时候再加载进来。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。

3. CPU上下文 问题解读

3.1 CPU为什么要进行上下文切换？

当多个进程竞争CPU的时候，CPU为了保证每个进程能公平被调度运行，采取了处理任务时间分片的机制，轮流处理多个进程，由于CPU处理速度非常快，在人类的感官上认为是并行处理，实际是"伪"并行，同一时间只有一个任务在运行处理。

3.2 上下文切换主要消耗什么资源，为什么说上下文切换次数过多不可取？

• 根据 Tsuna 的测试报告，每次上下文切换都需要几十纳秒到到微秒的CPU时间，这些时间对CPU来说，就好比人类对1分钟或10分钟的感觉概念。

• 在分秒必争的计算机处理环境下，浪费太多时间在切换上，只能会降低真正处理任务的时间，表象上导致延时、排队、卡顿现象发生。

3.3 CPU上下文切换共分为三种

• 1. 进程上下文切换
• 2. 线程上下文切换
• 3. 中断上下文切换

3.3 什么情况下会触发上下文切换？

系统调用、进程状态转换(运行、就绪、阻塞)、时间片耗尽、系统资源不足、sleep、优先级调度、硬件中断等

4. 上下文切换类型

根据上下文切换的类型，可分：

4.1 自愿上下文切换：

进程无法获取所需资源，导致上下文切换

• 例如，I/O、内存等系统资源不足时，就会发生。

4.2 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

• 例如，大量进程都在争抢 CPU 时，就容易发生非自愿上下文切换。

注意: 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 I/O 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。

二. 三种上下文切换细解

1.进程上下文切换

1.1 简介:

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，分别对应着下图中。CPU特权等级的Ring0 和 Ring3(也就是说Ring0和Ring3程序可以在CPU上运行)。

1. 内核空间(Ring 0)具有最高权限，可以直接访问所有资源。
2. 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到内核中，才能访问这些特权资源。

换个角度看，也就是说，进程即可以在用户空间运行，又可以在内核空间中运行。进程在用户空间运行是，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。

从用户态到内核态的转变，需要通过系统调用来完成，比如当我们查看文件内容时，就需要多次系统调用来完成：首先调用open()打开文件，然后调用read()读取文件内容，并调用write()将内容写到标准输出，最后再调用close()关闭文件。

1.2 .问题

1.2.1.系统调用的过程有没有发生CPU上下文切换呢？

1. 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。而系统调用结束后，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。

注意: 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，也不会切换进程。这跟我们通常所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；而系统调用过程中一直是同一个进程在运行。

1.2.3.进程在什么时候才会被调度到CPU上运行呢？

容易想到的一个时机，就是进程执行完，终止了，它之前使用的CPU会释放出来，这个时候再从就绪队列里，拿一个新的进程过来运行。其实还有很多其他场景，也会触发进程调度，这里逐个梳理下。

1. 为了保证所有进程可以得到公平调度，CPU时间片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，切换到其他正在等待CPU的进程运行。

2. 进程在系统资源不足(比如内存不足)时，需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，由高优先级的进程来运行。

5. 当发生硬件中断时，CPU上的进程会被中断挂起，转而执行内核中中断服务程序。

2.线程上下文切换

线程与进程最大的区别在与，线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位。所谓内核中的任务调用，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。所以，对于线程和进程，我们可以这么理解：

1. 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。
   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：

1.前后两个线程属于不同进程，此时，由于资源不共享，所以切换过程就跟进程上下文切换是一样的。
2.前后两个线程属于同一个进程，此时，应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。

所以同为上下文切换，但同进程内的线程切换，要比多进程间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。

3.中断上下切换

1. 中断会打断进程的政策调度和执行，转而调用中断处理程序，响应设备事件，而在打断其他进程时，就需要将进程当前的状态保存下来，这样再中断结束后，进程仍然可以从原来的状态恢复运行

2. 中断上下文切换并不涉及到进程的用户态，即便中断过程打断了一个正在处理用户态的进程，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锁必须的状态，包括CPU寄存器，内核堆栈，硬件中断参数等

3. 对同一个CPU来说，中断处理比进程拥有更高的优先级，所以中断上下文切换并不会与进程上下文切换同时发生，同样由于中断会打断正常进程的调度和执行，所以大部分中断程序都短小精悍，以便快速执行结束

注意:中断上下文切换也会消耗CPU，切换次数过多会耗费大量CPU，降低系统整体性能

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三.上下文切换实战

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

[root@localhost ~]# vmstat 5

• 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

[root@localhost ~]# pidstat -w 5

• cswch，表示每秒自愿上下文切换（voluntary content switches）的次数

• nvcswch，表示每秒非自愿上下文切换（no voluntary content switches）的次数

-wt 参数表示输出线程的上下文切换指标

[root@localhost ~]# pidstat -wt 1

通过 /proc/interrupts 这个只读文件分析

/proc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讯，/proc/interrupts 就是这种通讯机制的一部分，提供了一个只读的中断使用情况
通过 watch -d cat /proc/interrupts 查看

在/proc目录下面，有两个与中断子系统相关的文件和子目录，它们是：

• /proc/interrupts：文件
• /proc/irq：子目录

读取interrupts会依次显示irq编号，每个cpu对该irq的处理次数，中断控制器的名字，irq的名字，以及驱动程序注册该irq时使用的名字

转载：https://blog.youkuaiyun.com/qq_31930499/article/details/96724976

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