CPU上下文切换

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CPU,计算机的大脑。用来处理计算机上运行的任务。一个一核单线程的CPU,在同一个时间点,只能运行一个任务。一段时间(比如1秒)可以执行n个任务。在这一段时间内,多个任务会抢占cpu。在cpu执行任务前,需要进行上下文切换。正是由于上下文切换的原因,导致cpu平均负载升高。接下来就聊聊,什么是cpu上下文切换。

概念

linux是一个多任务的操作系统,支持远大于cpu数量的任务同时运行,这些任务实际上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。

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,也就是说需要系统实现帮它设置好cpu寄存器和程序计数器。cpu寄存器是cpu内置的极小容量的内存,程序计数器,表示即将执行的下一条指令的位置。

cpu寄存器和程序计数器是cpu在运行任何任务前必须依赖的环境,因此也叫cpu上下文。cpu的上下文切换就是先把前一个任务的cpu上下文保存起来,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。

cpu特权分类

Linux按照特权等级,将进程的运行空间分为内核空间和用户空间。

从用户态到内核态的转变,需要通过系统调用来完成。系统调用的过程中就发生了上下文切换。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寄存器更新为内核态指令的新位置。最后跳转到内核态运行内核任务。

cpu上下文切换分类

根据任务的不同,cpu的上下文切换分为几个不同的场景,也就是: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

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,进程的上下文切换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一步:在保存当前进程的内核状态和cpu寄存器之前,需要把该进程的虚拟内存栈等保留下来。

保存和恢复上下文需要在内核cpu上运行。

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。这也正是前面我们所讲的,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。

那么,什么时候会进行进程上下文切换呢?

Linux为每个cpu都维护了一个就绪队列,将活跃进程(running 和 runnable)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最长时间的进程来运行。

当出现以下几种场景时,就cpu就会切换进程:

  1. 当前进程执行完终止,它之前使用的cpu会被释放出来,这个时候再从就绪队列中拿一个新的进程来运行。
  2. 为了保证所有进程可以公平调度,cpu时间被划分为一段一段的时间片,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
  3. 进程在系统资源不足(比如内存不足)时,要等到资源满足才会运行,这个时候进程也会被挂起,并由系统调度其他进程运行
  4. 当进程通过sleep这样的方法将自己主动挂起时,自然也会重新调度
  5. 当有优先级更高的进程来运行的时候,为了保证高优先级进程过的运行,当前进程会被挂起,由高优先级进程运行
  6. 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

线程和进程最大的区别在于,线程是调度的基本单位,而进程是资源拥有的基本单位。

当进程只有一个线程的时候,可以认为进程就等于线程。不过一般不要这么理解。线程永远是运行在进程之内的。

当进程拥有多个线程的时候,这些线程会共享相同的虚拟内存和全局变量资源。这些资源在上下文切换的时侯,不需要修改。
另外,线程也有自己的私有数据,比如栈和寄存器,这些在上下文切换时需要保存。

发生线程切换的场景:

  1. 前后两个线程属于不同进程,因为此时资源不共享,所以切换过程就跟进程的上下文切换一样。
  2. 前后两个线程属于统一个进程。此时,因为虚拟内存共享,所以在切换的时候,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。

注意:虽然同为上下文切换,但是同进程内的线程切换,要比多进程间的切换消耗更少的资源,而着也正是多线程代替多进程的原因。

中断上下文切换

为了快速响应硬件,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,就需要保存该进程状态,这样在设备事件结束后,就可以从原来的状态恢复。

注意:
与进程上下文不同的是,中断上下文切换不涉及到进程的用户态。所以,即使中断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、全局变量等用户资源。中断上下文只包括内核态中断服务程序执行所必须的状态。包括cpu寄存器、内核堆栈、硬件中断参数等。

和进程上下文切换一样的是,中断上下文切换也会消耗cpu。

小结

不管是哪种场景导致的上下文切换,你都应该知道:

  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. 过多的上下文切换,会把CPU时间消耗在寄存器、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。