「Linux」- 上下文切换(学习笔记)

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概念讲解:上下文切换

多任务操作系统,并不是真的在同时运行,而是操作系统在短时间内轮流执行任务,造成多任务同时运行的错觉。

什么是上下文?

而在每个任务切换前,操作系统需要保存当前任务的状态,并设置下个任务的运行环境:CPU Registers, Program Counter

	CPU Registers:是 CPU 内置的容量小、但速度极快的内存;
	Program Counter: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;

它们都是 CPU 在运行任何任务前,必须的依赖环境,因此也被叫做 CPU 上下文

什么是上下文切换?

就是先把前个任务的 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。

上下文切换的种类

特权模式切换(系统调用)

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:
1)内核空间,Ring 0
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。

进程在用户空间运行时,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。通过系统调用来完成。

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。

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。

进程上下文切换

进程上下文切换,是指从一个进程切换到另一个进程运行。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。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。

在进程上下文切换次数较多的情况下,很容易导致 CPU 将大量时间耗费在寄存器、内核栈以及虚拟内存等资源的保存和恢复上,进而大大缩短了真正运行进程的时间。另外,Linux 通过 TLB(Translation Lookaside Buffer)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。特别是在多处理器系统上,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他处理器的进程。

发生进程上下文切换的时机为“在进程调度的时候,才需要切换上下文”:
1)进程的 CPU 时间片耗尽,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,要等到资源满足后才可以运行,进程也会被挂起
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

进程是资源拥有的基本单位,线程是调度的基本单位。所谓内核中的任务调度,实际上的调度对象是线程;进程只是给线程提供虚拟内存、全局变量等资源。

对于线程和进程,我们可以这么理解:
1)当进程只有一个线程时,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。这些资源在线程上下文切换时是不需要修改的
3)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

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,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。
2)前后两个线程属于同个进程。此时,因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

到这里你应该也发现了,虽然同为上下文切换,但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,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

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。这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。

中断上下文切换并不涉及到进程的用户态。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。

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。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

中断上下文切换也需要消耗 CPU,切换次数过多也会耗费大量的 CPU,甚至严重降低系统的整体性能。

上下文切换带来的问题

系统的负载升高

多个进程竞争 CPU 资源,会发生频繁的上下文切换,会把 CPU 时间消耗在寄存器、内核栈以及虚拟内存等数据的保存和恢复上,引发平均负载升高。

查询系统上下文切换情况

vmstat(整体)

# vmstat -w 5 // 每隔 5 秒输出 1 组数据
procs -----------------------memory---------------------- ---swap-- -----io---- -system-- --------cpu--------
 r  b         swpd         free         buff        cache   si   so    bi    bo   in   cs  us  sy  id  wa  st
 2  0            0      2454308       109016      4450724    0    0     0     4    3    1   4   1  95   0   0
 0  0            0      2454528       109016      4450724    0    0     0     0  252  380   0   0 100   0   0
 0  0            0      2454576       109016      4450592    0    0     0     0   83  155   0   0 100   0   0
 0  0            0      2454268       109016      4450728    0    0     0     0  249  385   0   0 100   0   0

需要重点关注的输出列:
cs(context switch) 每秒上下文切换的次数;
in(interrupt) 每秒中断的次数;
r(Running or Runnable) 就绪队列的长度,也就是正在运行和等待 CPU 的进程数;
b(Blocked) 处于不可中断睡眠状态的进程数;

pidstat(进程)

# pidstat -w 5 // 每隔 5 秒输出 1 组数据
11:45:19 AM   UID       PID   cswch/s nvcswch/s  Command
11:45:24 AM     0         1     29.20      0.00  systemd
11:45:24 AM     0         9      4.20      0.00  ksoftirqd/0
11:45:24 AM     0        10     58.20      0.00  rcu_sched
11:45:24 AM     0        12      1.20      0.00  migration/0
11:45:24 AM     0        16      0.80      0.00  migration/1
11:45:24 AM     0        17      1.60      0.00  ksoftirqd/1
11:45:24 AM     0        21      0.60      0.00  migration/2
11:45:24 AM     0        22      1.20      0.00  ksoftirqd/2
11:45:24 AM     0        26      0.20      0.00  migration/3
11:45:24 AM     0        27      1.20      0.00  ksoftirqd/3
11:45:24 AM     0       200     16.40      0.00  i915/signal:0
11:45:24 AM     0       212      4.80      0.00  kworker/0:1H-kblockd

需要重点关注的输出列:
cswch/s,voluntary context switches,每秒自愿上下文切换的次数:指进程无法获取所需资源,导致的上下文切换(比如 I/O、内存等系统资源不足时)
nvcswch/s,non voluntary context switches,每秒非自愿上下文切换次数:指进程时间片耗尽等原因,被系统强制调度,进而发生的上下文切换(比如 进程间都在争抢 CPU 资源时)

系统每秒上下文切换次数的正常范围

如果系统的上下文切换次数比较稳定,那么从 数百一万以内 都算正常。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,就很可能已经出现了性能问题。

1)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;
2)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;
3)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;

问题排查:有多线程切换引起的负载(上下文切换)

第一步、配置环境,制造负载

# vmstat -w 1 // 查看系统当前上下文切换情况
procs -----------------------memory---------------------- ---swap-- -----io---- -system-- --------cpu--------
 r  b         swpd         free         buff        cache   si   so    bi    bo   in   cs  us  sy  id  wa  st
 0  0            0      2425368       117064      4461460    0    0     0     4    4    3   3   1  96   0   0
 0  0            0      2425368       117064      4461460    0    0     0     0   84  162   0   0 100   0   0
 0  0            0      2425508       117064      4461588    0    0     0     0  100  188   0   0 100   0   0
 0  0            0      2425588       117064      4461592    0    0     0     0   80  163   0   0 100   0   0
 0  0            0      2425840       117064      4461460    0    0     0     0   85  179   0   0 100   0   0

# sysbench --threads=10 --max-time=300 threads run // 以10个线程运行5分钟的基准测试,模拟多线程切换的问题

# vmstat -w 1
procs -----------------------memory---------------------- ---swap-- -----io---- -system-- --------cpu--------
 r  b         swpd         free         buff        cache   si   so    bi    bo   in   cs  us  sy  id  wa  st
 9  0            0      2383856       121292      4479996    0    0     0     4    4    1   3   1  96   0   0
 6  0            0      2383848       121292      4480124    0    0     0     0 19913 294716  76  18   7   0   0
 7  0            0      2383848       121292      4480128    0    0     0     0 21803 271198  72  19   9   0   0
 6  0            0      2383848       121292      4479996    0    0     0     0 17968 265956  72  20   8   0   0
 8  0            0      2383848       121292      4479996    0    0     0     0 16908 263770  71  16  12   0   0
 6  0            0      2383596       121292      4480120    0    0     0     0 21360 294804  72  20   8   0   0
 9  0            0      2383596       121292      4480128    0    0     0     0 22703 291403  74  20   6   0   0

 // 这时候会发现 r / cs / in / us / sy 突然升高
 // 第一行数据是系统启动以来的平均值,其他行才是你在运行 vmstat 命令时,设置的间隔时间的平均值

 // 从这里可以看出:由于系统运行状态进程过多导致上下文切换而引发负载升高

第二步、定位问题进程

# pidstat -wt 1 // -w t 参数表示输出线程的上下文切换指标
...
11:29:56 PM     0   1857488         -      5.00      0.00  kworker/1:2-events
11:29:56 PM     0         -   1857488      5.00      0.00  |__kworker/1:2-events
11:29:56 PM     0   1857512         -      1.00      0.00  vmstat
11:29:56 PM     0         -   1857512      1.00      0.00  |__vmstat
11:29:56 PM     0         -   1857525   7787.00  20798.00  |__sysbench
11:29:56 PM     0         -   1857526   7471.00  18170.00  |__sysbench
11:29:56 PM     0         -   1857527   6833.00  22963.00  |__sysbench
11:29:56 PM     0         -   1857528   7288.00  20382.00  |__sysbench
11:29:56 PM     0         -   1857529   7479.00  16564.00  |__sysbench
11:29:56 PM     0         -   1857530   6834.00  22413.00  |__sysbench
11:29:56 PM     0         -   1857531   4802.00  27515.00  |__sysbench
11:29:56 PM     0         -   1857532   6704.00  16661.00  |__sysbench
11:29:56 PM     0         -   1857533   7214.00  18934.00  |__sysbench
11:29:56 PM     0         -   1857534   8202.00  17705.00  |__sysbench
11:29:56 PM     0   1857536         -      1.00     14.00  pidstat
11:29:56 PM     0         -   1857536      1.00     14.00  |__pidstat
...

// 从这里可以看出是 sysbench 引发上下文切换

// 但是中断次数也增多了,我们还需要定位中断次数变多的原因

# watch -d 'cat /proc/interrupts | grep -v -E "\s+0\s+0\s+"'
// -d 参数表示高亮显示变化的区域
// grep 用于过滤掉那些显示为 0 的中断
...
 RES:   14755698   12291085   12150176   11544403   Rescheduling interrupts
...

// 这里可以明显看出是 Rescheduling interrupts 在增加,重调度中断(RES)

// 重调度中断(RES),这个中断类型表示,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到不同 CPU 的机制,通常也被称为处理器间中断(Inter-Processor Interrupts,IPI)。
// 这个中断在单核(只有一个逻辑 CPU)的机器上当然就没有意义了,因为压根儿就不会发生重调度的情况。

参考文献

Context switch – Wikipedia
03 | 基础篇:经常说的 CPU 上下文切换是什么意思?(上)