Linux 支持远大于 CPU 数量的任务同时运行。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。过多的上下文切换,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,从而缩短进程真正运行的时间,导致系统的整体性能大幅下降。
每个进程运行前,系统事先帮它设置好 CPU 寄存器和程序计数器(Program Counter,PC)。
- CPU 上下文:
- CPU 寄存器,是 CPU 内置的容量小、但速度极快的内存。
- 程序计数器,则是用来存储 CPU 正在执行的指令位置、或者即将执行的下一条指令位置。
- CPU 上下文切换
- 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。
- 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
- 根据任务的不同, CPU 上下文切换场景
- 进程上下文切换
- 线程上下文切换
- 中断上下文切换
系统调用--特权模式切换--同进程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。
- 进程的运行空间: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。
- 内核空间(Ring 0)具有最高权限,可以直接访问所有资源;
- 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。
- 系统调用 eg: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。
- 一次系统调用的过程,其实是发生了两次 CPU 上下文切换。
- 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。
进程上下文切换
与系统调用的区别
- 进程上下文切换,是指从一个进程切换到另一个进程运行。进程的切换只能发生在内核态。所以,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。
- 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。
- 而系统调用过程中一直是同一个进程在运行。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
上下文切换时机--进程调度
进程调度的时候,才需要切换上下文。Linux 为每个 CPU 都维护了一个就绪队列,将活跃进程(即正在运行和正在等待 CPU 的进程)按照优先级和等待 CPU 的时间排序,优先级最高和等待 CPU 时间最长的进程来运行。
- 时间片耗尽
- 系统资源不足,挂起,要等到满足才可以运行
- 自主挂起,sleep
- 优先级更高的到来时
- 硬件中断,会被中断挂起,之后执行内核中的中断服务程序
线程上下文切换
线程是调度的基本单位,而进程则是资源拥有的基本单位。
内核中的任务调度,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。
- 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
- 前后两个线程属于同一个进程。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。
中断上下文切换--短小快
中断处理比进程拥有更高的优先级。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,响应设备事件。
中断上下文切换并不涉及到进程的用户态。所以,即便中断过程打断了一个正处在用户态的进程,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所必需的状态,包括 CPU 寄存器、内核堆栈、硬件中断参数等。
查看系统的上下文切换情况-vmstat
过多的上下文切换,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
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。系统总体的上下文切换情况:
pidstat -w 参数表示输出进程切换指标,而 -u 参数则表示输出 CPU 使用指标
pidstat 默认显示进程的指标数据,加上 -t 参数后,才会输出线程的指标。也就是-wt
- cswch ,表示每秒自愿上下文切换(voluntary context switches)的次数: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。
- nvcswch ,表示每秒非自愿上下文切换(non voluntary context switches)的次数: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。
实验:
sysbench 来模拟系统多线程调度切换的瓶颈情况,是一个多线程的基准测试工具,一般用来评估不同系统参数下的数据库负载情况。当然,在这次案例中,我们只把它当成一个异常进程来看,作用是模拟上下文切换过多的问题。
# 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
$ sysbench --threads=10 --max-time=300 threads run
vmstat 1
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st6 0 0 6487428 118240 1292772 0 0 0 0 9019 1398830 16 84 0 0 08 0 0 6487428 118240 1292772 0 0 0 0 10191 1392312 16 84 0 0 0
- r 列:就绪队列的长度已经到了 8,远远超过了系统 CPU 的个数 2,所以肯定会有大量的 CPU 竞争。
- us(user)和 sy(system)列:这两列的 CPU 使用率加起来上升到了 100%,其中系统 CPU 使用率,也就是 sy 列高达 84%,说明 CPU 主要是被内核占用了。
- in 列:中断次数也上升到了 1 万左右,说明中断处理也是个潜在的问题。
# 每隔 1 秒输出 1 组数据(需要 Ctrl+C 才结束)
# -w 参数表示输出进程切换指标,而 -u 参数则表示输出 CPU 使用指标
$ pidstat -w -u 1
08:06:33 UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command
08:06:34 0 10488 30.00 100.00 0.00 0.00 100.00 0 sysbench
08:06:34 0 26326 0.00 1.00 0.00 0.00 1.00 0 kworker/u4:208:06:33 UID PID cswch/s nvcswch/s Command
08:06:34 0 8 11.00 0.00 rcu_sched
08:06:34 0 16 1.00 0.00 ksoftirqd/1
08:06:34 0 471 1.00 0.00 hv_balloon
08:06:34 0 1230 1.00 0.00 iscsid
08:06:34 0 4089 1.00 0.00 kworker/1:5
08:06:34 0 4333 1.00 0.00 kworker/0:3
08:06:34 0 10499 1.00 224.00 pidstat
08:06:34 0 26326 236.00 0.00 kworker/u4:2
08:06:34 1000 26784 223.00 0.00 sshd
# 每隔 1 秒输出一组数据(需要 Ctrl+C 才结束)
# -wt 参数表示输出线程的上下文切换指标
$ pidstat -wt 1
08:14:05 UID TGID TID cswch/s nvcswch/s Command
...
08:14:05 0 10551 - 6.00 0.00 sysbench
08:14:05 0 - 10551 6.00 0.00 |__sysbench
08:14:05 0 - 10552 18911.00 103740.00 |__sysbench
08:14:05 0 - 10553 18915.00 100955.00 |__sysbench
08:14:05 0 - 10554 18827.00 103954.00 |__sysbench
...
除了上下文切换频率骤然升高,还有一个指标也有很大的变化,中断次数。
pidstat 只是一个进程的性能分析工具,并不提供任何关于中断的详细信息
/proc 实际上是 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信。/proc/interrupts 就是这种通信机制的一部分,提供了一个只读的中断使用情况。
# -d 参数表示高亮显示变化的区域
$ watch -d cat /proc/interruptsCPU0 CPU1
...
RES: 2450431 5279697 Rescheduling interrupts
变化速度最快的是重调度中断(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)。
中断升高还是因为过多任务的调度问题,跟前面上下文切换次数的分析结果是一致的。
总结
- 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。