✨ cpu 上下文

2019-07-07 17:12:41 +08:00 · 2019-07-07 17:12:41 +08:00 · dddb7e2330
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 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(Program Counter，PC)。

-CPU 寄存器，是 CPU 内置的容量小、但速度极快的内存。而程序计数器，则是用来存储 CPU 正在执行的指令位置、或者即将执行的下一条指令位置。它们都是 CPU 在运行任何 任务前，必须的依赖环境，因此也被叫做 CPU 上下文。
+CPU 寄存器，是 CPU 内置的容量小、但速度极快的内存。而程序计数器，则是用来存储 CPU 正在执行的指令位置、或者即将执行的下一条指令位置。它们都是 CPU 在运行任何任务前，必须的依赖环境，因此也被叫做 CPU 上下文。

 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不需要我们特别关注。

@ -23,17 +23,36 @@ Linux 按照特权等级，把进程的运行空间分为内核空间和用户

 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。

-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。
+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。

 系统调用的过程也会发生 CPU 上下文的切换

 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。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__。
+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。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__。

 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__。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。

+#### 进程在什么时候才会被调度到 CPU 上运行
+
+最容易想到的一个时机，就是进程执行完终止了，它之前使用的 CPU 会释放出来，这个时候再从就绪队列里，拿一个新的进程过来运行。其实还有很多其他场景，也会触发进程调度
+
+其一，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。
+
+其二，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。
+
+其三，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。
+
+其四，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。
+
+最后一个，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。
+
+了解这几个场景是非常有必要的，因为一旦出现上下文切换的性能问题，它们就是幕后凶
+手。
+
 #### 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。
@ -55,5 +74,60 @@ __线程与进程最大的区别在于，线程是调度的基本单位，而进

 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。
+
+## 怎么查看系统的上下文切换情况
+
+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。
+
+下面就是一个 vmstat 的使用示例:
+
+```
+vmstat 5 #每隔 5 秒输出 1 组数据
+```
+
+```
+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 1293264 180568 2046324    0    0     0     5    2    8  1  0 99  0  0
+```
+
+结果含义说明
+
+- cs(context switch)是每秒上下文切换的次数。
+
+- in(interrupt)则是每秒中断的次数。
+
+- 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)则是处于不可中断睡眠状态的进程数。
+
+可以看到，这个例子中的上下文切换次数 cs 是 8 次，而系统中断次数 in 则是 2 次，而 就绪队列长度 r 和不可中断状态进程数 b 都是 0。
+
+vmstat 只给出了系统总体的上下文切换情况，要想查看每个进程的详细情况，就需要使用我们前面提到过的 pidstat 了。给它加上 -w 选项，你就可以查看每个进程上下文切换的情况了。
+
+示例:
+
+```
+pidstat -w 5 # 每隔 5 秒输出 1 组数据
+```
+
+```
+Linux 4.4.0-142-generic (10-53-166-171) 	07/07/2019 	_x86_64_	(2 CPU)
+
+04:05:53 PM   UID       PID   cswch/s nvcswch/s  Command
+04:05:58 PM     0         1      1.80      0.00  systemd
+04:05:58 PM     0         3      6.39      0.00  ksoftirqd/0
+04:05:58 PM     0         7     33.33      0.00  rcu_sched
+04:05:58 PM     0         9      0.40      0.00  migration/0
+04:05:58 PM     0        10      0.20      0.00  watchdog/0
+```
+
+这个结果中有两列内容是我们的重点关注对象。一个是 cswch ，表示每秒自愿上下文切换 (voluntary context switches)的次数，另一个则是 nvcswch ，表示每秒非自愿上下文切换(non voluntary context switches)的次数。
+
+这两个概念一定要牢牢记住，因为它们意味着不同的性能问题:
+
+__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。比如说， I/O、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，大量进程都在争抢 CPU 时，就容易发生非自愿上下文切换。
+