一文让你明白CPU上下文切换

七淅在学Java

我们都知道,Linux 是一个多任务操作系统,它支持远大于 CPU 数量的任务同时运行。当然,这些任务实际上并不是真的在同时运行,而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、又从哪里开始运行,也就是说,需要系统事先帮它设置好CPU 寄存器和程序计数器

什么是 CPU 上下文

CPU 寄存器和程序计数器就是 CPU 上下文,因为它们都是 CPU 在运行任何任务前,必须的依赖环境。

  • 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。

什么是 CPU 上下文切换

就是先把前一个任务的 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。

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。

CPU 上下文切换的类型

根据任务的不同,可以分为以下三种类型

  • 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

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,分别对应着下图中, 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到内核中,才能访问这些特权资源。

来自极客时间

进程既可以在用户空间运行,又可以在内核空间中运行。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。

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,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。

在这个过程中就发生了 CPU 上下文切换,整个过程是这样的:
1、保存 CPU 寄存器里原来用户态的指令位
2、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。
3、跳转到内核态运行内核任务。
4、当系统调用结束后,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。(用户态-内核态-用户态)

不过,需要注意的是,系统调用过程中,并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。这跟我们通常所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;而系统调用过程中一直是同一个进程在运行。

所以,系统调用过程通常称为特权模式切换,而不是上下文切换。系统调用属于同进程内的 CPU 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。

进程上下文切换跟系统调用又有什么区别呢

首先,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。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。

因此,进程的上下文切换就比系统调用时多了一步:在保存内核态资源(当前进程的内核状态和 CPU 寄存器)之前,需要先把该进程的用户态资源(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

如下图所示,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。

来自极客时间

进程上下文切换潜在的性能问题

根据 Tsuna 的测试报告,每次上下文切换都需要几十纳秒到数微秒的 CPU 时间。这个时间还是相当可观的,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。这也正是导致平均负载升高的一个重要因素。

另外,我们知道, 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场景

  1. 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,这些时间片再被轮流分配给各个进程。这样,当某个进程的时间片耗尽了,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(比如内存不足)时,要等到资源满足后才可以运行,这个时候进程也会被挂起,并由系统调度其他进程运行。
  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

线程与进程最大的区别在于:线程是调度的基本单位,而进程则是资源拥有的基本单位。说白了,所谓内核中的任务调度,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。

所以,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是需要保存的。

发生线程上下文切换的场景

  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

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。而在打断其他进程时,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。

对同一个 CPU 来说,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。同样道理,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。

另外,跟进程上下文切换一样,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。所以,当你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。

本文整理自极客时间:《Linux性能优化实战》
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