Linux性能优化(3)-CPU 上下文切换

1. Overview

多个进程竞争CPU会导致系统的负载升高,这是因为CPU会进行上下文切换。Linux是一个多任务操作系统,它可以支持远大于CPU数量的任务同时进行,然而,并不是真的同时运行,而是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。

而在每个任务运行之前,CPU需要知道任务从哪里加载,又从哪里开始运行的。即系统需要事先设置好CPU寄存器和程序计数器

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。

fig1.png

而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。

而CPU的上下文切换,可以分为几个不同的场景,进程上下文切换,线程上下文切换以及中断上下文切换。

2 系统调用

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。

fig2.png

  • 内核空间具有最高权限,可以直接访问所有资源
  • 用户空间只能访问受限资源,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状态中,才能访问这些特权资源。

进程既可以在用户空间运行,也可以在内核空间中运行。分别称为进程的用户态和内核态。

从用户态到内核态的转变,需要通过系统调用来完成。而这实际上也发生了CPU的上下文切换,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,实际上是发生了两次CPU上下文切换。

系统调用过程,不会切换进程的,不涉及到虚拟内存等进程用户态的资源,也不会切换进程。

  • 进程的上下文切换,是指从一个进程切换到另一个进程运行。
  • 系统调用过程一直在同一个进程当中

3. 进程上下文切换

3.1 进程上下文切换和系统调用的区别

  • 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;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。

fig3.png

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。

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。

3.2 何时需要进程切换

进程调度的时候,按照优先级和等待的时间进行排序,对CPU的使用进行分配。

  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。

4. 线程上下文切换

4.1 线程 vs 进程

线程是调度的基本单温,而进程是资源拥有的基本单位。

  • 内核当中的任务调度,实际上的调用对象是线程
  • 进程在为线程提供虚拟内存,全局变量等资源
  • 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的时候是不需要修改的
  • 线程自己的私有数据比如栈还有寄存器,在上下文切换的时候是需要保存的

4.2 线程切换

两种情况:

  • 两个线程属于不同进程,因为资源不共享,所以切换过程跟进程上下文切换时一样的
  • 两个线程属于同一个进程,虚拟内存是共享的,在切换的时候,虚拟内存等资源保持不动,只需要切换线程的私有数据,寄存器等不共享的数据

5. 中断上下文切换

快速响应硬件时间的方式,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,需要将进程当前的状态保存下来,这样在中断结束以后,进程仍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。

5. 实践

5.1 使用vmstat分析内存使用情况

# 每隔 5 秒输出 1 组数据
$ vmstat 5
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 7005360  91564 818900    0    0     0     0   25   33  0  0 100  0  0
  • cs: 每秒上下文切换的次数
  • in: 每秒中断的次数
  • r (Running or Runnable): 就绪队列的长度,即正在运行和等待CPU的进程数
  • b (Blocked) 处于不可中断睡眠状态的进程数

5.2 使用pidstat -w 查看每个进程的上下文切换情况

# 每隔 5 秒输出 1 组数据
$ pidstat -w 5
Linux 4.15.0 (ubuntu)  09/23/18  _x86_64_  (2 CPU)

08:18:26      UID       PID   cswch/s nvcswch/s  Command
08:18:31        0         1      0.20      0.00  systemd
08:18:31        0         8      5.40      0.00  rcu_sched
...
  • cswch: 每秒资源上下文切换
    • 指进程无法获取所需的资源,导致的上下文切换
  • nvcswch: 每秒非资源上下文切换
    • 指进程由于时间片已经到了等原因,被系统强制调度,进而发生的上下文切换

5.3 从/proc/interrupts读取中断信息

/proc是Linux的一个虚拟文件系统,用于内核空间与用户空间之间的通信。/proc/interrupts是这种通信机制的一部分,提供了一个只读的中断使用情况。


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文章标题:Linux性能优化(3)-CPU 上下文切换

文章字数:2.5k

本文作者:Leilei Chen

发布时间:2020-01-30, 20:50:10

最后更新:2020-02-01, 22:06:57

原始链接:https://www.llchen60.com/Linux%E6%80%A7%E8%83%BD%E4%BC%98%E5%8C%96-3-CPU-%E4%B8%8A%E4%B8%8B%E6%96%87%E5%88%87%E6%8D%A2/

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