[转帖]经常说的CPU上下文切换是什么意思？（上）

经常说的CPU上下文切换是什么意思？（上）

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学习倪鹏飞老师linux性能优化实践的笔记，文中大量内容来源于老师的文档材料，如果喜欢请移步文末截图中的二维码支持老师的课程：

有时候看系统的资源利用率，我们会发现，cpu的use值不搞但sys值特别高，同时负载也会比较高，这时我们就会比较疑惑，我程序明明用的cpu很少啊，为什么负载特别高？嗯 原因就是上下文切换了。

我们都知道，Linux是一个多任务的操作系统，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正的在同时运行，而是应为系统在很短的时间内，将CPU轮流分配给他们，造成很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，又是从哪里开始运行，也就是说，需要系统事先帮他设置好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。程序计数器，则是用来存储CPU正在执行的指令的位置，或者即将执行的下一条指令的位置。他们都是CPU在运行任何任务前，必须依赖的环境，因此也被叫做CPU上下文。

知道了什么事CPU上下文，我想你也很容易理解CPU上下文切换。CPU上下文切换，就是先把前一个任务的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的时候再加载进来。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。

我猜肯定会有人说，CPU上下文切换无非就是更新了CPU寄存器的值嘛，但这些寄存器，本身就是为了快速运行任务而设计的，为什么会影响系统的CPU性能呢？

在回答这个问题前，不知道你有没有想过，操作系统管理的这些"任务"到底是什么呢？

也许你会说，任务就是进程，或者说任务就是线程，是的进程和线程是最常见的任务，但是除此之外，还有没有其他任务呢？

不要忘了，硬件通过触发信号，会导致中断处理程序的调用，这也是一种常见的任务。

所以，根据任务的不同，CPU的上下文切换就可以分为几个不同的常见，也就是进程上下文切换,线程上下文切换以及中断上下文切换。

下面我们看下如何理解这几个不通的上下文切换，以及他们为什么会引发CPU性能相关的问题。

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，分别对应着下图中。CPU特权等级的Ring0 和 Ring3。

 

特权等级

• 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。

换个角度看，也就是说，进程即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是，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。

那么，系统调用的过程有没有发生CPU上下文切换呢？答案是肯定的。

CPU寄存器里原来用户态的指令位置，需要先保存起来。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。

不过，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。

那么，进程上下文切换跟系统调用又有什么区别呢？

首先，你需要知道，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含了虚拟内存、栈。全局变量等用户空间的资源，还包含了内核堆栈、寄存器等内核空间状态。

因此，进程的上下文切换就比系统调用多了一步：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，还需要刷新新进程的虚拟内存和用户栈。

如下图所示，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上允许才能完成。

 

上下文切换

 

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妙的CPU时间。这个时间还是相当可观的，特别是进程上下文切换次数较多的情况下，很容易导致CPU将大量的时间耗费在寄存器、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。这也正是上一篇文章中所提到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。

知道了进程上下文切换潜在的性能问题后，我们再来看，究竟什么时候会切换进程上下文。

显然，进程切换时才需要切换上下文，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，将获取进程(即正在运行和等待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。

那么，进程在什么时候才会被调度到CPU上运行呢？

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，这里逐个梳理下。

其一，为了保证所有进程可以得到公平调度，CPU时间片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，切换到其他正在等待CPU的进程运行。

其二，进程在系统资源不足(比如内存不足)时，需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：当进程通过随眠函数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，由高优先级的进程来运行。

最后一个，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，他们就是幕后凶手。

线程上下文切换
说完了进程的上下文切换，我们再来看看线程相关的问题。

线程与进程最大的区别在与，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用，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。所以，对于现场和进程，我们可以这么理解：

• 当进程只有一个线程时，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，这些在上下文切换时也是需要保存的。

这么一来，线程的上下文切换其实就可以分为两种情况：
第一种，前后俩个线程属于不同进程，此时，由于资源不共享，所以切换过程就跟进程上下文切换是一样的。
第二种，前后两个线程属于同一个进程，此时，应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。

到这里你应该也发现了，虽然同为上下文切换，但同进程内的线程切换，要比多进程间切换消耗更少的资源，而这，也正是多线程代替多进程的一个优势。

中断上下文切换

除了前面两种上下文切换，还有一个场景也会也换CPU上下文，那就是中断。

为了快速响应硬件的时间，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，响应设备时间。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。

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，即便中断打断了一个正处于用户态的进程，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所必须的状态，包括CPU寄存器、内核堆栈、硬件中断等参数等。

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。同样的道理，由于中断会大段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。

另外，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。所以，当你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。

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. 但过多的上下文切换，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。

 

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