Linux的CPU上下文切换深入探讨

  1. CPU 上下文(CPU Context)
  2. CPU 上下文切换的类型
  3. 进程上下文切换
    1. 进程上下文切换 vs 系统调用
  4. 线程上下文切换
  5. 中断上下文切换
  6. 结论

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链接:https://medium.com/geekculture/linux-cpu-context-switch-deep-dive-764bfdae4f01

我们都知道 Linux 是一个多任务操作系统,它支持的任务同时运行的数量远远大于 CPU 的数量。当然,这些任务实际上并不是同时运行的(Single CPU),而是因为系统在短时间内将 CPU 轮流分配给任务,造成了多个任务同时运行的假象。

CPU 上下文(CPU Context)

在每个任务运行之前,CPU 需要知道在哪里加载和启动任务。这意味着系统需要提前帮助设置 CPU 寄存器程序计数器

CPU 寄存器是内置于 CPU 中的小型但速度极快的内存。程序计数器用于存储 CPU 正在执行的或下一条要执行指令的位置。

它们都是 CPU 在运行任何任务之前必须依赖的依赖环境,因此也被称为 “CPU 上下文”。如下图所示:

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知道了 CPU 上下文是什么,我想你理解 CPU 上下文切换就很容易了。“CPU上下文切换”指的是先保存上一个任务的 CPU 上下文(CPU寄存器和程序计数器),然后将新任务的上下文加载到这些寄存器和程序计数器中,最后跳转到程序计数器。

这些保存的上下文存储在系统内核中,并在重新安排任务执行时再次加载。这确保了任务的原始状态不受影响,并且任务似乎在持续运行。

CPU 上下文切换的类型

你可能会说 CPU 上下文切换无非就是更新 CPU 寄存器和程序计数器值,而这些寄存器是为了快速运行任务而设计的,那为什么会影响 CPU 性能呢?

在回答这个问题之前,请问,你有没有想过这些“任务”是什么?你可能会说一个任务就是一个进程或者一个线程。是的,进程和线程正是最常见的任务,但除此之外,还有其他类型的任务。

别忘了硬件中断也是一个常见的任务,硬件触发信号,会引起中断处理程序的调用。

因此,CPU 上下文切换至少有三种不同的类型:

  • 进程上下文切换

  • 线程上下文切换

  • 中断上下文切换

让我们一一来看看。

进程上下文切换

Linux 按照特权级别将进程的运行空间划分为内核空间和用户空间,分别对应下图中 Ring 0Ring 3 的 CPU 特权级别的 。

  • 内核空间Ring 0)拥有最高权限,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。它必须通过系统调用陷入(trapped)内核中才能访问这些特权资源。

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从另一个角度看,一个进程既可以在用户空间也可以在内核空间运行。当一个进程在用户空间运行时,称为该进程的用户态,当它落入内核空间时,称为该进程的内核态

用户态内核态的转换需要通过系统调用来完成。例如,当我们查看一个文件的内容时,我们需要以下系统调用:

  • open():打开文件

  • read():读取文件的内容

  • write():将文件的内容写入到输出文件(包括标准输出)

  • close():关闭文件

那么在上述系统调用过程中是否会发生 CPU 上下文切换呢?当然是的。

这需要先保存 CPU 寄存器中原来的用户态指令的位置。接下来,为了执行内核态的代码,需要将 CPU 寄存器更新到内核态指令的新位置。最后是跳转到内核态运行内核任务。

那么系统调用结束后,CPU 寄存器需要恢复原来保存的用户状态,然后切换到用户空间继续运行进程。

因此,在一次系统调用的过程中,实际上有两次 CPU 上下文切换。

但需要指出的是,系统调用进程不会涉及进程切换,也不会涉及虚拟内存等系统资源切换。这与我们通常所说的“进程上下文切换”不同。进程上下文切换是指从一个进程切换到另一个进程,而系统调用期间始终运行同一个进程

系统调用过程通常被称为特权模式切换,而不是上下文切换。但实际上,在系统调用过程中,CPU 的上下文切换也是不可避免的。

进程上下文切换 vs 系统调用

那么进程上下文切换和系统调用有什么区别呢?首先,进程是由内核管理的,进程切换只能发生在内核态。因此,进程上下文不仅包括虚拟内存全局变量等用户空间资源,还包括内核栈寄存器等内核空间的状态。

所以进程上下文切换系统调用要多出一步:

在保存当前进程的内核状态和 CPU 寄存器之前,需要保存进程的虚拟内存、栈等;并加载下一个进程的内核状态。

根据 Tsuna 的测试报告,每次上下文切换需要几十纳秒至微秒的 CPU 时间。这个时间是相当可观的,尤其是在大量进程上下文切换的情况下,很容易导致 CPU 花费大量时间来保存和恢复寄存器、内核栈、虚拟内存等资源。这正是我们在上一篇文章中谈到的,一个导致平均负载上升的重要因素。

那么,该进程何时会被调度/切换到在 CPU 上运行?其实有很多场景,下面我为大家总结一下:

  • 当一个进程的 CPU 时间片用完时,它会被系统挂起,并切换到其他等待 CPU 运行的进程。

  • 当系统资源不足(如内存不足)时,直到资源充足之前,进程无法运行。此时进程也会被挂起,系统会调度其他进程运行。

  • 当一个进程通过 sleep 函数自动挂起自己时,自然会被重新调度。

  • 当优先级较高的进程运行时,为了保证高优先级进程的运行,当前进程会被高优先级进程挂起运行

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

了解这些场景是非常有必要的,因为一旦上下文切换出现性能问题,它们就是幕后杀手。

线程上下文切换

线程和进程最大的区别在于,线程是任务调度的基本单位,而进程是资源获取的基本单位。

说白了,内核中所谓的任务调度,实际的调度对象是线程;而进程只为线程提供虚拟内存和全局变量等资源。所以,对于线程和进程,我们可以这样理解:

  • 当一个进程只有一个线程时,可以认为一个进程等于一个线程

  • 当一个进程有多个线程时,这些线程共享相同的资源,例如虚拟内存和全局变量。

  • 此外,线程也有自己的私有数据,比如栈和寄存器,在上下文切换时也需要保存。

这样,线程的上下文切换其实可以分为两种情况:

  • 首先,前后两个线程属于不同的进程。此时,由于资源不共享,切换过程与进程上下文切换相同。

  • 其次,前后两个线程属于同一个进程。此时,由于虚拟内存是共享的,所以切换时虚拟内存的资源保持不变,只需要切换线程的私有数据、寄存器等未共享的数据。

显然,同一个进程内的线程切换比切换多个进程消耗的资源要少。这也是多线程替代多进程的优势。

中断上下文切换

除了前面两种上下文切换之外,还有另外一种场景也输出 CPU 上下文切换的,那就是中断

为了快速响应事件,硬件中断会中断正常的调度和执行过程,进而调用中断处理程序

在中断其他进程时,需要保存进程的当前状态,以便中断后进程仍能从原始状态恢复。

与进程上下文不同,中断上下文切换不涉及进程的用户态。因此,即使中断进程中断了处于用户态的进程,也不需要保存和恢复进程的虚拟内存、全局变量等用户态资源。

另外,和进程上下文切换一样,中断上下文切换也会消耗 CPU。过多的切换次数会消耗大量的 CPU 资源,甚至严重降低系统的整体性能。因此,当您发现中断过多时,需要注意排查它是否会对您的系统造成严重的性能问题。

结论

综上所述,无论哪种场景导致上下文切换,你都应该知道:

CPU 上下文切换是保证 Linux 系统正常运行的核心功能之一,一般不需要我们特别关注。

但是过多的上下文切换会消耗 CPU 的时间来保存和恢复寄存器、内核栈、虚拟内存等数据,从而缩短进程的实际运行时间,导致系统整体性能显着下降。


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