cpu上下文與切換

　　進程在競爭 CPU 的時候并沒有真正運行，為什么還會導致系統的負載升高呢？CPU 上下文切換就是罪魁禍首。

　　我們都知道，Linux 是一個多任務操作系統，它支持遠大于 CPU 數量的任務同時運行。當然，這些任務實際上并不是真的在同時運行，而是因為系統在很短的時間內，將 CPU 輪流分配給它們，造成多任務同時運行的錯覺。

而在每個任務運行前，CPU 都需要知道任務從哪里加載、又從哪里開始運行，也就是說， 需要系統事先幫它設置好 CPU 寄存器和程序計數器(Program Counter，PC)。CPU 寄存器，是 CPU 內置的容量小、但速度極快的內存。而程序計數

器，則是用來存儲CPU 正在執行的指令位置、或者即將執行的下一條指令位置。它們都是 CPU 在運行任何任務前，必須的依賴環境，因此也被叫做 CPU 上下文。

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　　CPU 上下文切換。CPU 上下文切換，就是先把前一個任務的 CPU 上下文(也就是 CPU 寄存器和程序計數器)保存起來，然后加載新任務的上下文到這些寄存器和程序計數器，最后再跳轉到程序計數器所指的新位置， 運行新任務。

而這些保存下來的上下文，會存儲在系統內核中，并在任務重新調度執行時再次加載進來。這樣就能保證任務原來的狀態不受影響，讓任務看起來還是連續運行。

　　我猜肯定會有人說，CPU 上下文切換無非就是更新了 CPU 寄存器的值嘛，但這些寄存器，本身就是為了快速運行任務而設計的，為什么會影響系統的 CPU 性能呢？

在回答這個問題前，不知道你有沒有想過，操作系統管理的這些“任務”到底是什么呢？

也許你會說，任務就是進程，或者說任務就是線程。是的，進程和線程正是最常見的任務。但是除此之外，還有沒有其他的任務呢？

不要忘了，硬件通過觸發信號，會導致中斷處理程序的調用，也是一種常見的任務。

所以，根據任務的不同，CPU 的上下文切換就可以分為幾個不同的場景，也就是進程上下文切換、線程上下文切換以及中斷上下文切換。

這節課我就帶你來看看，怎么理解這幾個不同的上下文切換，以及它們為什么會引發 CPU 性能相關問題。

進程上下文切換

Linux 按照特權等級，把進程的運行空間分為內核空間和用戶空間，分別對應著下圖中， CPU 特權等級的 Ring 0 和 Ring 3。

內核空間(Ring 0)具有最高權限，可以直接訪問所有資源；

用戶空間(Ring 3)只能訪問受限資源，不能直接訪問內存等硬件設備，必須通過系統調用陷入到內核中，才能訪問這些特權資源。

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　　換個角度看，也就是說，進程既可以在用戶空間運行，又可以在內核空間中運行。進程在用戶空間運行時，被稱為進程的用戶態，而陷入內核空間的時候，被稱為進程的內核態。從用戶態到內核態的轉變，需要通過系統調用來完成。比如，當我們查看文件內容時，就需要多次系統調用來完成：首先調用 open() 打開文件，然后調用 read() 讀取文件內容， 并調用 write() 將內容寫到標準輸出，最后再調用 close() 關閉文件。

　　那么，系統調用的過程有沒有發生 CPU 上下文的切換呢？答案自然是肯定的。

　　CPU 寄存器里原來用戶態的指令位置，需要先保存起來。接著，為了執行內核態代碼， CPU 寄存器需要更新為內核態指令的新位置。最后才是跳轉到內核態運行內核任務。而系統調用結束后，CPU 寄存器需要恢復原來保存的用戶態，然后再切換到用戶空間，繼續運行進程。所以，一次系統調用的過程，其實是發生了兩次 CPU 上下文切換。不過，需要注意的是，系統調用過程中，并不會涉及到虛擬內存等進程用戶態的資源，也不會切換進程。這跟我們通常所說的進程上下文切換是不一樣的：進程上下文切換，是指從一個進程切換到另一個進程運行。而系統調用過程中一直是同一個進程在運行。

所以，系統調用過程通常稱為特權模式切換，而不是上下文切換。但實際上，系統調用過程中，CPU 的上下文切換還是無法避免的。

　　那么，進程上下文切換跟系統調用又有什么區別呢？首先，你需要知道，進程是由內核來管理和調度的，進程的切換只能發生在內核態。所以，進程的上下文不僅包括了虛擬內存、棧、全局變量等用戶空間的資源，還包括了內核堆棧、寄存器等內核空間的狀態。因此，進程的上下文切換就比系統調用時多了一步：在保存當前進程的內核狀態和 CPU 寄存器之前，需要先把該進程的虛擬內存、棧等保存下來；而加載了下一進程的內核態后， 還需要刷新進程的虛擬內存和用戶棧。如下圖所示，保存上下文和恢復上下文的過程并不是“免費”的，需要內核在 CPU 上運行才能完成。

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　　根據 Tsuna 的測試報告，每次上下文切換都需要幾十納秒到數微秒的 CPU 時間。這個時間還是相當可觀的，特別是在進程上下文切換次數較多的情況下，很容易導致 CPU 將大量時間耗費在寄存器、內核棧以及虛擬內存等資源的保存和恢復上，進而大大縮短了真正運行進程的時間。這也正是上一節中我們所講的，導致平均負載升高的一個重要因素。

　　另外，我們知道， Linux 通過 TLB(Translation Lookaside Buffer)來管理虛擬內存到物理內存的映射關系。當虛擬內存更新后，TLB 也需要刷新，內存的訪問也會隨之變慢。特別是在多處理器系統上，緩存是被多個處理器共享的，刷新緩存不僅會影響當前處理器的進程，還會影響共享緩存的其他處理器的進程。知道了進程上下文切換潛在的性能問題后，我們再來看，究竟什么時候會切換進程上下文。

　　顯然，進程切換時才需要切換上下文，換句話說，只有在進程調度的時候，才需要切換上下文。Linux 為每個 CPU 都維護了一個就緒隊列，將活躍進程(即正在運行和正在等待CPU 的進程)按照優先級和等待 CPU 的時間排序，然后選擇最需要 CPU 的進程，也就是優先級最高和等待 CPU 時間最長的進程來運行。

　　那么，進程在什么時候才會被調度到 CPU 上運行呢？最容易想到的一個時機，就是進程執行完終止了，它之前使用的 CPU 會釋放出來，這個時候再從就緒隊列里，拿一個新的進程過來運行。其實還有很多其他場景，也會觸發進程調 度，在這里我給你逐個梳理下。

　　其一，為了保證所有進程可以得到公平調度，CPU 時間被劃分為一段段的時間片，這些時間片再被輪流分配給各個進程。這樣，當某個進程的時間片耗盡了，就會被系統掛起，切 換到其它正在等待 CPU 的進程運行。

　　其二，進程在系統資源不足(比如內存不足)時，要等到資源滿足后才可以運行，這個時候進程也會被掛起，并由系統調度其他進程運行。

　　其三，當進程通過睡眠函數 sleep 這樣的方法將自己主動掛起時，自然也會重新調度。

　　其四，當有優先級更高的進程運行時，為了保證高優先級進程的運行，當前進程會被掛起，由高優先級進程來運行。

最后一個，發生硬件中斷時，CPU 上的進程會被中斷掛起，轉而執行內核中的中斷服務程序。

線程上下文切換

線程與進程最大的區別在于，線程是調度的基本單位，而進程則是資源擁有的基本單位。說白了，所謂內核中的任務調度，實際上的調度對象是線程；而進程只是給線程提供了虛擬內存、全局變量等資源。所以，對于線程和進程，我們可以這么理解：

　　當進程只有一個線程時，可以認為進程就等于線程。

　　當進程擁有多個線程時，這些線程會共享相同的虛擬內存和全局變量等資源。這些資源在上下文切換時是不需要修改的。

另外，線程也有自己的私有數據，比如棧和寄存器等，這些在上下文切換時也是需要保存的。

這么一來，線程的上下文切換其實就可以分為兩種情況：

　　第一種， 前后兩個線程屬于不同進程。此時，因為資源不共享，所以切換過程就跟進程上下文切換是一樣。

　　第二種，前后兩個線程屬于同一個進程。此時，因為虛擬內存是共享的，所以在切換時， 虛擬內存這些資源就保持不動，只需要切換線程的私有數據、寄存器等不共享的數據。

到這里你應該也發現了，雖然同為上下文切換，但同進程內的線程切換，要比多進程間的切換消耗更少的資源，而這，也正是多線程代替多進程的一個優勢。

中斷上下文切換

　　除了前面兩種上下文切換，還有一個場景也會切換 CPU 上下文，那就是中斷。

　　為了快速響應硬件的事件，中斷處理會打斷進程的正常調度和執行，轉而調用中斷處理程序，響應設備事件。而在打斷其他進程時，就需要將進程當前的狀態保存下來，這樣在中斷結束后，進程仍然可以從原來的狀態恢復運行。跟進程上下文不同，中斷上下文切換并不涉及到進程的用戶態。所以，即便中斷過程打斷了一個正處在用戶態的進程，也不需要保存和恢復這個進程的虛擬內存、全局變量等用戶 態資源。中斷上下文，其實只包括內核態中斷服務程序執行所必需的狀態，包括 CPU 寄存器、內核堆棧、硬件中斷參數等。

　　對同一個 CPU 來說，中斷處理比進程擁有更高的優先級，所以中斷上下文切換并不會與進程上下文切換同時發生。同樣道理，由于中斷會打斷正常進程的調度和執行，所以大部分中斷處理程序都短小精悍，以便盡可能快的執行結束。另外，跟進程上下文切換一樣，中斷上下文切換也需要消耗 CPU，切換次數過多也會耗費大量的 CPU，甚至嚴重降低系統的整體性能。所以，當你發現中斷次數過多時，就需要注意去排查它是否會給你的系統帶來嚴重的性能問題。

小結

總結一下，不管是哪種場景導致的上下文切換，你都應該知道：

1. CPU 上下文切換，是保證 Linux 系統正常工作的核心功能之一，一般情況下不需要我們特別關注。

2. 但過多的上下文切換，會把 CPU 時間消耗在寄存器、內核棧以及虛擬內存等數據的保存和恢復上，從而縮短進程真正運行的時間，導致系統的整體性能大幅下降。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的2.1 CPU 上下文切换（上）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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