linux性能优化-上下文切换

如何理解上下文切换

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，这是通过频繁的上下文切换、将CPU轮流分配给不同任务从而实现的。
CPU 上下文切换，就是先把前一个任务的 CPU 上下文（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。

上下文切换的时机

根据调度策略，将CPU时间划片为对应的时间片，当时间片耗尽，就需要进行上下文切换
进程在系统资源不足，会在获取到足够资源之前进程挂起
进程通过sleep函数将自己挂起
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, 也就是被抢占
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。

上下文切换分类

我们之前讲过的任务到底是什么呢？

进程和线程是最常见的任务
硬件通过触发信号，会导致中断处理程序的调用，也是一种常见的任务

所以，根据任务的不同，CPU 的上下文切换可以分为不同的场景

进程上下文切换
线程上下文切换
中断上下文切换

系统调用

Linux 按照特权等级划分进程的运行空间

**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。

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。
系统调用举例:
当我们查看文件内容时，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。

系统调用的过程有没有发生 CPU 上下文的切换呢？答案自然是肯定的

CPU 寄存器里原来用户态的指令位置，需要先保存起来
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
系统调用结束后，CPU 寄存器需要恢复原来保存的用户态
然后再切换回用户空间，继续运行进程

**系统调用和进程上下文切换的不同 **

**进程上下文切换：**从一个进程切换到另一个进程运行
**系统调用：**一直是同一个进程在运行
系统调用过程通常称为特权模式切换，而不是上下文切换
系统调用过程中， CPU 上下文切换是无法避免的

进程上下文切换

在 Linux 中，进程是由内核来管理和调度进程的，切换只能发生在内核态，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资源。
**进程上下文切换: **

在保存当前进程的内核状态和 CPU 寄存器之前，需要先把该进程的虚拟内存、栈等保存下来【保存上下文**】 **
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【加载上下文】

什么时候会切换进程上下文

顾名思义，只有在进程切换时才需要切换上下文
换句话说，只有在进程调度时才需要切换上下文

CPU 如何挑选进程来运行？

Linux 为每个 CPU 都维护了一个等待队列；
将活跃进程（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，也就是优先级最高和等待 CPU 时间最长的进程来运行。

**进程上下文切换如何影响系统性能 **
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。这也正是上一节中我们所讲的，导致平均负载升高的一个重要因素。

线程上下文切换

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。
线程的上下文切换其实就可以分为两种情况：
第一种：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。
第二种：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

硬件通过触发信号，向CPU发送中断信号，导致内核调用中断处理程序，进入内核空间。这个过程中，硬件的一些变量和参数也要传递给内核，内核通过这些参数进行中断处理。中断处理会打断进程的正常调度和执行，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。
例如：A进程启动写磁盘操作，A进程睡眠后B进程在运行，当磁盘写完后磁盘中断信号打断的是B进程，在中断处理时会唤醒A进程。
进程上下文 VS 中断上下文

内核可以处于两种上下文：进程上下文和中断上下文；
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，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；
中断上下文不会和进程上下文切换同时发生；
对同一个 CPU 来说，中断处理比进程拥有更高的优先级；
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。

耗资源程度

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；
当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。

查看上下文切换

如何来查看上下文切换呢？我们可以使用 vmstat 这个工具，来查询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。
1）系统总的上下文切换情况

#vmstat n n秒后输出一行信息
[root@centos7-2 ~]# vmstat 1
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st
1 0 0 299304 2108 155296 0 0 362 29 181 210 1 4 95 0 0
0 0 0 299288 2108 155296 0 0 0 0 187 165 1 0 100 0 0
0 0 0 299288 2108 155296 0 0 0 0 173 157 0 0 100 0 0
0 0 0 299288 2108 155296 0 0 0 0 165 160 0 1 100 0 0
0 0 0 299288 2108 155296 0 0 0 0 181 169 0 0 100 0 0
0 0 0 299288 2108 155296 0 0 0 0 181 162 0 1 100 0 0
0 0 0 299288 2108 155296 0 0 0 0 150 155 0 0 100 0 0
0 0 0 299288 2108 155296 0 0 0 0 150 158 0 1 100 0 0

重点强调下，需要特别关注的四列内容：
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。
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。

pidstat [ 选项 ] [ <时间间隔> ] [ <次数> ]
-u：默认的参数，显示各个进程的cpu使用统计
-r：显示各个进程的内存使用统计
-d：显示各个进程的IO使用情况
-p：指定进程号
-w：显示每个进程的上下文切换情况
-t：显示选择任务的线程的统计信息外的额外信息

[root@centos7-2 ~]# pidstat -w -u 3
Linux 3.10.0-693.el7.x86_64 (centos7-2) 2020年11月27日 _x86_64_ (2 CPU)
14时53分11秒 UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command
14时53分14秒 0 1375 0.33 0.33 0.00 0.00 0.66 0 pidstat
14时53分11秒 UID PID cswch/s nvcswch/s Command
14时53分14秒 0 3 0.33 0.00 ksoftirqd/0
14时53分14秒 0 6 1.32 0.00 kworker/u256:0
14时53分14秒 0 9 4.64 0.00 rcu_sched
14时53分14秒 0 10 0.33 0.00 watchdog/0
14时53分14秒 0 11 0.33 0.00 watchdog/1
14时53分14秒 0 13 0.33 0.00 ksoftirqd/1
14时53分14秒 0 14 0.99 0.00 kworker/1:0
14时53分14秒 0 46 0.33 0.00 kworker/0:2
14时53分14秒 0 409 19.87 0.00 xfsaild/dm-0
14时53分14秒 0 654 10.26 0.00 vmtoolsd
14时53分14秒 0 720 0.33 0.00 kworker/1:1H
14时53分14秒 89 1175 0.33 0.00 qmgr
14时53分14秒 89 1274 0.33 0.00 cleanup
14时53分14秒 89 1280 0.99 0.00 trivial-rewrite
14时53分14秒 0 1305 0.33 0.00 sshd
14时53分14秒 0 1348 2.32 0.00 kworker/0:3
这个结果中有两列内容是我们的重点关注对象