CPU上下文切换(上)

CPU上下文切换(上)

问题：进程在竞争CPU的时候并没有真正运行，为什么会导致系统的负载升高呢？

CPU上下文切换就是罪魁祸首

一、CPU寄存器和程序计数器(Program Counter PC)

1.1、CPU寄存器

是CPU内置的容量小，但速度极快的内存。

1.2、程序计数器(PC)

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。

1.3、CPU上下文

CPU寄存器和程序计数器，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

备注：

PC：程序计数器IR：指令寄存器PSR：程序状态寄存器

1.4、CPU上下文切换

首先，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，再跳转程序计数器所指的新位置，运行新任务。

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。

二、CPU上下文切换的场景

进程上下文切换线程上下文切换中断上下文切换

操作系统管理的任务：最常见的时进程和线程，硬件通过出发信号，会导致中断处理程序调用，也是一种常见的任务。

2.1、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内核中，才能访问这些特权资源

也就是说，进程既可以在用户空间运行，又可以在内核空间运行。进程在用户空间运行时，被称为进程的用户态，而陷入内核空间时，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

示例：当查看文件内容时，就需要多次系统调用来完成1、首先，调用 open() 打开文件2、然后，调用 read() 读取文件内容，并多次调用 write() 将内容写入到标准输出3、最后，再调用 close() 关闭文件

2.2.1、系统调用的过程也会触发CPU上下文切换

首先，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，跳转到内核态运行的内核任务。

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。

注意：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。

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。

所以，系统调用通常为特权模式切换，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。

2.3.1、进程上下文切换 & 系统调用 的区别

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。

进程的上下文切换就比系统调用时多了一步：保存当前进程的内核态和CPU寄存器之前，需要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。

如图，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。

根据​​Tsuna​​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，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。这也是导致平均负载升高的一个重要因素。

备注：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，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。

2.4.1、何时会切换进程上下文

进程切换时需要切换上下文，换句话说，只有在进程调度的时候，才需要切换上下文。Linux 为每个 CPU 都维护了一个就绪队列，将活跃进程（即正在运行和正在等待 CPU 的进程）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，也就是优先级高和等待时间最长的进程来运行。

2.5.1、进程何时会被调度到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，这时候再从就绪队列里，拿一个新的进程过来运行，还有很多其他场景也会出发进程调度，如下：

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，就会被系统挂起，切换到其他正在等待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，这时进程也会被挂起，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。

注意：了解这几个场景非常必要，因为一旦出现上下文切换的性能问题，它们就是幕后凶手。

总结：1、进程执行完终止了；2、进程的CPU时间片用完；3、进程在系统资源不足；4、通过 sleep 函数主动挂起；5、优先级更高进程运行时；6、发生硬件中断时。

2.2、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。

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。

线程和进程可以这么理解

当进程只有一个时，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，比如栈和寄存器等等，这些在上下文切换时也是需要保存的。

2.2.1、线程的上下文切换的两种情况

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时一样的。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，所以再切换时，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。

2.3、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，转而调用中断程序，响应设备事件。

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于用户态进程，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。

三、小结

1、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。

2、但过多的上下文切换，会把CPU时间消耗再寄存器、内核栈以及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。

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