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如何理解Linux的上下文切换?

2020-03-12 10:33:25 来源 : 掘金网

如何理解Linux的上下文切换

Linux 是一个多任务操作系统,它支持同时运行的任务数量远大于 CPU 个数。其实这些任务没有真正的同时运行,是因为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。

而在每个任务运行前,CPU 都需要知道任务从哪里加载、从哪里开始运行,需要系统事先设置好 CPU 寄存器和程序计数器。CPU 寄存器是 CPU 内置的容量小、速度极快的内存。而程序计数器则是用来存储 CPU 正在执行的指令位置、或即将执行的下一条指令位置。它们都是 CPU 在运行任务前必须依赖的环境,也被叫做 CPU 上下文。

上下文切换,就是先把前一个任务的 CPU 上下文保存起来,然后加载新任务的上下文到这些寄存器和程序计数器,最后再跳到程序计数器所指的新位置,运行新任务。而这些保存下来的上下文,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。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。

根据任务的不同,CPU 的上下文切换可以分为几个不同的场景,也就是:进程上下文切换、线程上下文切换、中断上下文切换。

进程上下文切换

1. 用户空间与内核空间

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 CPU 特权等级的 Ring 0 和 Ring 3。

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内核中才能访问这些特权资源。

进程既可以在用户空间运行,又可以在内核空间运行。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。

2. 系统调用

从用户态到内核态的转变,需要通过系统调用来完成。比如查看文件时,需要执行多次系统调用:open、read、write、close等。系统调用的过程如下:

首先,把 CPU 寄存器里原来用户态的指令位置保存起来

为了执行内核代码,CPU 寄存器需要更新为内核态指令的新位置,最后跳转到内核态运行内核任务。

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。

但系统调用的过程中并不会涉及虚拟内存等进程用户态的资源,也不会切换进程,这和平时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

系统调用过程中一直是同一个进程在运行

因此,系统调用的过程通常称为特权模式切换,而不是上下文切换。

3. 进程上下文切换

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,因此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。

因此进程的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。

保存上下文和恢复上下文的过程并不是免费的,需要内核在 CPU 上运行才能完成。据测试,每次上下文切换都需要几十纳秒到数微妙的 CPU 时间。特别是在进程上下文切换次数较多的情况下,很容易导致 CPU 将大量时间消耗在寄存器、内核栈、虚拟内存等资源的保存和恢复上,从而大大缩短了真正运行进程的时间。

Linux 通过 TLB 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它处理器的进程。

4. 进程上下文何时切换

Linux 为每个 CPU 维护了一个就绪队列,将活跃进程按照优先级和等待 CPU 的时间排序,然后选择最需要 CPU 的进程,也就是优先级最高和等待 CPU 时间最长的进程来运行。那么,进程在什么时候才会被调度到 CPU 上运行呢?

进程执行完终止了,它之前使用的 CPU 会释放出来,这时再从就绪队列中拿一个新的进程来运行

为了保证所有进程可以得到公平调度,CPU 时间被划分为一段段的时间片,这些时间片被轮流分配给各个进程。当某个进程时间片耗尽了就会被系统挂起,切换到其它等待 CPU 的进程运行。

进程在系统资源不足时,要等待资源满足后才可以运行,这时进程也会被挂起,并由系统调度其它进程运行。

当进程通过睡眠函数 sleep 主动挂起时,也会重新调度。

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。

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

线程与进程最大的区别在于,线程是操作系统调度的最小单位,而进程是操作系统分配资源的最小单位。所谓内核调度,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。对于线程和进程我们可以这么理解:

当进程只有一个线程时,可以认为进程就等于线程

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。

另外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时需要保存的。

其实线程的上下文切换可以分为两种情况:

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的。

前后两个线程属于同一个进程。此时虚拟内存是共享的,上下文切换时,虚拟内存这些资源保持不动,只需要切换线程的私有数、寄存器等不共享的数据。

可以发现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,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,响应设备事件。而在打断其它进程时,就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。

跟进程上下文不同,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。

对同一个 CPU 来说,中断处理比进程拥有更高的优先级,由于中断会打断正常进程的调度和执行,所以大部分中断处理程序都短小精悍,以便尽可能快的执行结束。

跟进程上下文切换一样,中断上下文切换也需要消耗 CPU,当发现中断次数过多时,就需要注意去排查它是否会给你的系统带来严重的性能问题。

概念小结

总结一下,不管是哪种场景导致的上下文切换,你都应该知道:

CPU 上下文切换是保证 Linux 系统正常工作的核心功能之一,一般情况下我们无需特别关注。

过多的上下文切换,会把 CPU 时间消耗在寄存器、内核栈、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。

如何查看系统的上下文切换

我们可以通过 vmstat 工具来查看系统的上下文切换情况。vmstat 主要用来分析系统内存使用情况,也常用来分析 CPU 上下文切换和中断的次数。

#每隔5秒输出1组数据

$vmstat5

procs-----------memory-------------swap-------io-----system--------cpu-----

rbswpdfreebuffcachesisobiboincsussyidwast

000700536091564818900000025330010000

我们需要重点关注下列四项内容:

cs(context switch) 是每秒上下文切换的次数。

in(interrupt) 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) 是处于不可中断睡眠状态的进程数。

想要查看每个进程的详细情况,需要使用 pidstat,给它加上 -w 选项,就可以查看每个进程上下文切换的情况。

#每隔5秒输出1组数据

$pidstat-w5

Linux4.15.0(ubuntu)09/23/18_x86_64_(2CPU)

08:18:26UIDPIDcswch/snvcswch/sCommand

08:18:31010.200.00systemd

08:18:31085.400.00rcu_sched

上述结果有两列是我们重点关注的对象,一个是 cswch,表示每秒自愿上下文切换的次数;另一个是 nvcswch,表示每秒非自愿上下文切换的次数。

自愿上下文切换,是指进程无法获取所需资源,导致的上下文切换。比如,IO、内存等系统资源不足时,就会发生自愿上下文切换。

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。比如说,大量进程都在抢占 CPU 时,就容易发生非自愿上下文切换。

案例分析

1. 准备环境

sysbench 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,本次案例把它当作一个异常进程来看,作用是模拟上下文切换过多的问题。

#预先安装sysbench

$yuminstallsysbench-y

2. 操作和分析

首先在第一个终端里运行 sysbench,模拟系统多线程调度的瓶颈:

#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=300threadsrun

接着在第二个终端运行 vmstat,观察上下文切换情况:

#每隔1秒输出1组数据(需要Ctrl+C才结束)

$vmstat1

procs--------memory-----------swap-------io-----system--------cpu-----

rbswpdfreebuffcachesisobiboincsussyidwast

600648742811824012927720000901913988301684000

8006487428118240129277200001019113923121684000

可以发现,cs 列的上下文切换次数从之前的 35 上升到了 139 万,观察其他几个指标:

r 列:就绪队列长度为 8,远大于 CPU 个数,所以会有大量的 CPU 竞争

us 和 sys 列:这两列加一起上升到 100%,sys 列高达 84%,说明 CPU 主要是被内核占用了。

in 列:中断次数为 1 万左右,说明中断也是个潜在的问题。

综合分析,由于系统的就绪队列过长,也就是正在运行和等待 CPU 的进程数过多,导致了大量的上下文切换,而上下文切换又导致了系统 CPU 的占用率升高。

我们可以使用 pidstat 继续分析到底是哪个进程导致了这些问题?

#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-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

可以发现,CPU 使用率的升高是 sysbench 导致的,但上下文切换则来自其他进程,包括非自愿上下文切换频率最高的 pidstat,以及自愿上下文切换频率最高的内核线程 kworker 和 sshd。

默认 pidstat 显示进程的指标数据,加上 -t 参数后,才会输出线程的指标

#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-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

...

虽然 sysbench 进程的上下文切换次数不多,但它的子线程的上下文切换次数非常多,可以判定上下文切换罪魁祸首的是 sysbench 进程。还没完,记得我们通过 vmstat 看到的中断次数到了 1 万,到底是什么类型的中断上升了呢?

我们可以通过 /proc/interrupts 来读取中断的使用情况,通过运行下面的命令:

#-d参数表示高亮显示变化的区域

$watch-dcat/proc/interrupts

CPU0CPU1

...

RES:24504315279697Reschedulinginterrupts

...

可以发现,变化速度最快的是重调度中断(RES),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队列到不同 CPU 的机制,通常也被称为处理器间中断。根本原因还是因为过多任务的调度问题,跟前边分析结果是一致的。

每秒上下文切换多少次算正常

这个数值其实取决于系统本身的 CPU 性能。如果系统的上下文切换次数比较稳定,从数百到一万以内,都应该算是正常的。如果当上下文切换次数超过一万次,或者切换次数出现数量级增长时,很可能已经出现了性能问题。

这时,你还需要根据上下文切换的类型,再做具体分析,比方说:

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 IO 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。

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