思考一下

進(jìn)程在競(jìng)爭(zhēng) CPU 的時(shí)候并沒(méi)有真正運(yùn)行，系統(tǒng)的負(fù)載也會(huì)升高。

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CPU 上下文

Linux 是一個(gè)多任務(wù)操作系統(tǒng)，它支持遠(yuǎn)大于 CPU 數(shù)量的任務(wù)同時(shí)運(yùn)行，在每個(gè)任務(wù)運(yùn)行前，CPU 都需要知道任務(wù)從哪里加載、又從哪里開(kāi)始運(yùn)行，也就是說(shuō)，需要系統(tǒng)事先幫它設(shè)置好 CPU 寄存器和程序計(jì)數(shù)器（Program Counter，PC）。

CPU 寄存器，是 CPU 內(nèi)置的容量小、但速度極快的內(nèi)存。而程序計(jì)數(shù)器，則是用來(lái)存儲(chǔ) CPU 正在執(zhí)行的指令位置、或者即將執(zhí)行的下一條指令位置。它們都是 CPU 在運(yùn)行任何任務(wù)前，必須的依賴(lài)環(huán)境，因此也被叫做 CPU 上下文。

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上下文切換類(lèi)型

1. 進(jìn)程上下文切換
2. 線程上下文切換
3. 中斷上下文切換

進(jìn)程上下文切換

Linux 按照特權(quán)等級(jí)，把進(jìn)程的運(yùn)行空間分為內(nèi)核空間和用戶(hù)空間。

內(nèi)核空間（Ring 0）具有最高權(quán)限，可以直接訪問(wèn)所有資源；
用戶(hù)空間（Ring 3）只能訪問(wèn)受限資源，不能直接訪問(wèn)內(nèi)存等硬件設(shè)備，必須通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用陷入到內(nèi)核中，才能訪問(wèn)這些特權(quán)資源。

從用戶(hù)態(tài)到內(nèi)核態(tài)的轉(zhuǎn)變，需要通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用來(lái)完成。

比如，當(dāng)我們查看文件內(nèi)容時(shí)，就需要多次系統(tǒng)調(diào)用來(lái)完成：首先調(diào)用 open() 打開(kāi)文件，然后調(diào)用 read() 讀取文件內(nèi)容，并調(diào)用 write() 將內(nèi)容寫(xiě)到標(biāo)準(zhǔn)輸出，最后再調(diào)用 close() 關(guān)閉文件。

系統(tǒng)調(diào)用的過(guò)程會(huì)涉及到CPU 上下文的切換，CPU 寄存器里原來(lái)用戶(hù)態(tài)的指令位置，需要先保存起來(lái)。接著，為了執(zhí)行內(nèi)核態(tài)代碼，CPU 寄存器需要更新為內(nèi)核態(tài)指令的新位置。最后才是跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核態(tài)運(yùn)行內(nèi)核任務(wù)，而系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束后，CPU 寄存器需要恢復(fù)原來(lái)保存的用戶(hù)態(tài)，然后再切換到用戶(hù)空間，繼續(xù)運(yùn)行進(jìn)程。所以，一次系統(tǒng)調(diào)用的過(guò)程，其實(shí)是發(fā)生了兩次 CPU 上下文切換。

進(jìn)程是由內(nèi)核來(lái)管理和調(diào)度的，進(jìn)程的切換只能發(fā)生在內(nèi)核態(tài)。所以，進(jìn)程的上下文不僅包括了虛擬內(nèi)存、棧、全局變量等用戶(hù)空間的資源，還包括了內(nèi)核堆棧、寄存器等內(nèi)核空間的狀態(tài)。

進(jìn)程的上下文切換就比系統(tǒng)調(diào)用時(shí)多了一步：在保存當(dāng)前進(jìn)程的內(nèi)核狀態(tài)和 CPU 寄存器之前，需要先把該進(jìn)程的虛擬內(nèi)存、棧等保存下來(lái)；而加載了下一進(jìn)程的內(nèi)核態(tài)后，還需要刷新進(jìn)程的虛擬內(nèi)存和用戶(hù)棧。

上下文切換都需要幾十納秒到數(shù)微秒的 CPU 時(shí)間。

線程上下文切換

線程與進(jìn)程大的區(qū)別在于，線程是調(diào)度的基本單位，而進(jìn)程則是資源擁有的基本單位。內(nèi)核中的任務(wù)調(diào)度，實(shí)際上的調(diào)度對(duì)象是線程。

當(dāng)進(jìn)程只有一個(gè)線程時(shí)，可以認(rèn)為進(jìn)程就等于線程。
當(dāng)進(jìn)程擁有多個(gè)線程時(shí)，這些線程會(huì)共享相同的虛擬內(nèi)存和全局變量等資源。這些資源在上下文切換時(shí)是不需要修改的。
另外，線程也有自己的私有數(shù)據(jù)，比如棧和寄存器等，這些在上下文切換時(shí)也是需要保存的。

線程的上下文切換其實(shí)就可以分為兩種情況：

1. 前后兩個(gè)線程屬于不同進(jìn)程。此時(shí)，因?yàn)橘Y源不共享，所以切換過(guò)程就跟進(jìn)程上下文切換是一樣。
2. 前后兩個(gè)線程屬于同一個(gè)進(jìn)程。此時(shí)，因?yàn)樘摂M內(nèi)存是共享的，所以在切換時(shí)，虛擬內(nèi)存這些資源就保持不動(dòng)，只需要切換線程的私有數(shù)據(jù)、寄存器等不共享的數(shù)據(jù)。

中斷上下文切換

為了快速響應(yīng)硬件的事件，中斷處理會(huì)打斷進(jìn)程的正常調(diào)度和執(zhí)行，轉(zhuǎn)而調(diào)用中斷處理程序，響應(yīng)設(shè)備事件。而在打斷其他進(jìn)程時(shí)，就需要將進(jìn)程當(dāng)前的狀態(tài)保存下來(lái)，這樣在中斷結(jié)束后，進(jìn)程仍然可以從原來(lái)的狀態(tài)恢復(fù)運(yùn)行。

中斷上下文切換并不涉及到進(jìn)程的用戶(hù)態(tài)，所以，即便中斷過(guò)程打斷了一個(gè)正處在用戶(hù)態(tài)的進(jìn)程，也不需要保存和恢復(fù)這個(gè)進(jìn)程的虛擬內(nèi)存、全局變量等用戶(hù)態(tài)資源。中斷上下文，其實(shí)只包括內(nèi)核態(tài)中斷服務(wù)程序執(zhí)行所必需的狀態(tài)，包括 CPU 寄存器、內(nèi)核堆棧、硬件中斷參數(shù)等。

中斷上下文切換也需要消耗 CPU，切換次數(shù)過(guò)多也會(huì)耗費(fèi)大量的 CPU，甚至嚴(yán)重降低系統(tǒng)的整體性能。

進(jìn)程調(diào)度觸發(fā)情況

• CPU 時(shí)間被劃分為一段段的時(shí)間片。
• 進(jìn)程在系統(tǒng)資源不足（比如內(nèi)存不足）時(shí)，要等到資源滿足后才可以運(yùn)行，這個(gè)時(shí)候進(jìn)程也會(huì)被掛起，并由系統(tǒng)調(diào)度其他進(jìn)程運(yùn)行。
• 當(dāng)進(jìn)程通過(guò)睡眠函數(shù) sleep 這樣的方法將自己主動(dòng)掛起時(shí)，自然也會(huì)重新調(diào)度。
• 當(dāng)有優(yōu)先級(jí)更高的進(jìn)程運(yùn)行時(shí)，為了保證高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程的運(yùn)行，當(dāng)前進(jìn)程會(huì)被掛起，由高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程來(lái)運(yùn)行。
• 發(fā)生硬件中斷時(shí)，CPU 上的進(jìn)程會(huì)被中斷掛起，轉(zhuǎn)而執(zhí)行內(nèi)核中的中斷服務(wù)程序。

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了解系統(tǒng)的上下文切換情況 vmstat

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

# 每隔 5 秒輸出 1 組數(shù)據(jù)
$ vmstat 5
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 7005360  91564 818900    0    0     0     0   25   33  0  0 100  0  0

cs（context switch）是每秒上下文切換的次數(shù)。
in（interrupt）則是每秒中斷的次數(shù)。
r（Running or Runnable）是就緒隊(duì)列的長(zhǎng)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)。

pidstat

sysstat 包含了常用的 Linux 性能工具，用來(lái)監(jiān)控和分析系統(tǒng)的性能。

pidstat是其中一個(gè)常用的進(jìn)程性能分析工具，用來(lái)實(shí)時(shí)查看進(jìn)程的 CPU、內(nèi)存、I/O 以及上下文切換等性能指標(biāo)。

vmstat 只給出了系統(tǒng)總體的上下文切換情況，要想查看每個(gè)進(jìn)程的詳細(xì)情況，就需要使用我們上面提到過(guò)的 pidstat 了。給它加上 -w 選項(xiàng)，你就可以查看每個(gè)進(jìn)程上下文切換的情況了。

# 每隔 5 秒輸出 1 組數(shù)據(jù)
$ pidstat -w 5
Linux 4.15.0 (ubuntu)  09/23/18  _x86_64_  (2 CPU)
 
08:18:26      UID       PID   cswch/s nvcswch/s  Command
08:18:31        0         1      0.20      0.00  systemd
08:18:31        0         8      5.40      0.00  rcu_sched

# 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 -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

cswch 自愿上下文切換，是指進(jìn)程無(wú)法獲取所需資源，導(dǎo)致的上下文切換。比如說(shuō)， I/O、內(nèi)存等系統(tǒng)資源不足時(shí)，就會(huì)發(fā)生自愿上下文切換。
nvcswch 非自愿上下文切換，則是指進(jìn)程由于時(shí)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。比如說(shuō)，大量進(jìn)程都在爭(zhēng)搶 CPU 時(shí)，就容易發(fā)生非自愿上下文切換。

判斷中斷上下文切換的原因

/proc 實(shí)際上是 Linux 的一個(gè)虛擬文件系統(tǒng)，用于內(nèi)核空間與用戶(hù)空間之間的通信。/proc/interrupts 就是這種通信機(jī)制的一部分，提供了一個(gè)只讀的中斷使用情況。

# -d 參數(shù)表示高亮顯示變化的區(qū)域
$ watch -d cat /proc/interrupts
           CPU0       CPU1
...
RES:    2450431    5279697   Rescheduling interrupts
...

變化速度最快的是重調(diào)度中斷（RES），這個(gè)中斷類(lèi)型表示，喚醒空閑狀態(tài)的 CPU 來(lái)調(diào)度新的任務(wù)運(yùn)行。這是多處理器系統(tǒng)（SMP）中，調(diào)度器用來(lái)分散任務(wù)到不同 CPU 的機(jī)制，通常也被稱(chēng)為處理器間中斷（Inter-Processor Interrupts，IPI）。

但當(dāng)上下文切換次數(shù)超過(guò)一萬(wàn)次，或者切換次數(shù)出現(xiàn)數(shù)量級(jí)的增長(zhǎng)時(shí)，就很可能已經(jīng)出現(xiàn)了性能問(wèn)題。

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分享題目：Linux-CPU之上下文切換-創(chuàng)新互聯(lián)
新聞來(lái)源：http://www.js-pz168.com/article6/cohiog.html

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