Linux 性能分析总结之 CPU 上下文切换（二）

Linux CPU 上下文切换场景

0x00 前言

上一篇笔记中我讲到了，在寻找 CPU 的性能瓶颈的问题的时候，首先会查看整台机器的平均负载是否高，然后再使用 pidstat 等工具判断到底是哪种情况导致的平均负载升高，主要情况有三种：

  • CPU 密集型
  • IO 密集型
  • 大量进程的场景

前面两种情况我们都很好理解，但是大量的进程怎么也会导致 CPU 出现瓶颈呢？这是因为我们的 CPU 核心在执行任务的时候，仍然是单任务的，只不过它执行的很快，让每个进程交替着执行，所以在人类眼中看上去像是多个线程在并行执行。然而不同的线程交替的切换着执行时需要成本的，当进程数量很多的时候，CPU Context Swith 就很频繁了，那么就会导致 CPU 出现性能瓶颈。CPU Context Swith 可以分为以下几种场景：

  • 进程上下文切换
  • 线程上下文切换
  • 中断上下文切换

0x01 进程上下文切换

首先，Linux 按照特权等级，把进程的运行空间分为内核态和用户态，CPU 特权等级为 0-3 数字越小权限越高。
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那么问题来了，由于 Linux 现在只用到了两个特权等级，分别是 Ring 0 内核态和 Ring 3 用户态，所以运行在不同的特权等级上的进程上下文切换主要有两种：

  • 用户态进程之间的切换
  • 用户态进程陷入到内核态，即系统调用

那用户态进程陷入内核态进程与用户态空间之间的切换有何不同呢？不同之处在于用户态在进行系统调用的时候，会发生两次 CPU 的上下文切换，分别是：

  1. 用户态进程调用系统调用，并陷入到内核态
  2. 内核进程执行完调用后再恢复原来的用户态的进程执行
    如此说来，那么在系统调用的时候，当前用户态进程并不会切换成其他的用户态进程，它只是进行了系统调用（即切换到内核态）又恢复了，所以我们把为了好区分，把系统调用说成特权模式切换，用户态之间的进程切换说成上下文切换。

系统调用与上下文切换有何区别？

上下文切换相比系统调用会保存进程的虚拟内存和栈，所以会消耗更多的时间

何时会进行进程上下文切换？

  1. CPU 时间片结束，CPU 是划分为多个时间片的给不同进程使用的
  2. 进程运行需要的资源不够，如等待IO,Memory insufficient 等等
  3. 进程主动挂起,如 sleep 函数
  4. 有优先级更高的进程执行，如硬中断

0x02 线程上下文切换

线程与进程的区别是什么？线程是调度的基本单位，进程是资源拥有的基本单位。也就是说线程是实际上干活的，是内核实际调度的对象，但是干活你需要工具和场地，而进程就是给线程提供了虚拟内存、全局变量等资源。所以可以这么理解：

  • 进程 = 所有线程 + 资源
  • 如果进程只有一个线程，那么可以认为这个线程就代表整个进程
  • 如果一个进程有多个线程，所有线程共享这个进程的资源,在上下文切换的时候这些资源也不需要切换
  • 线程有自己的私有数据，如 stack,Register等，这些需要保存

那么线程的情况分为两种：

  1. 前后线程属于一个进程，那么资源是共享的，所以只需要切换线程的私有数据
  2. 如果前后线程属于不同的进程，那么切换的情况和进程是一样的

0x03 中断上下文切换

中断是外部事件对 CPU 执行过程打的打断，中断程序也是需要执行的，它会保存被打断的进程的状态，这样中断程序执行完后，原来的进程还能接着执行，既然要切换进程那么自然中断也需要上下文切换，也会消耗 CPU 的资源。但是由于中断并不涉及到切换用户态进程，所以进程的资源是不需要保存和恢复的。

0x04 总结

从上个笔记中我说到了根据 CPU 升高的情况下，会有三种原因导致 CPU使用情况升高。这里我接着针对的是第三种大量进程切换的情况，而这种情况又可以分为三种情况，分别是：

  • 进程上下文切换（进程切换就是特殊情况的线程切换）
    • 系统调用
    • 进程上下文切换
  • 线程上线文切换
  • 中断上下文切换