CPU上下文切换 | 易学教程

CPU上下文

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，需要系统事先帮它设置好 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。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。

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
加载新任务的上下文到这些寄存器和程序计数器
跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务。

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

进程和线程

进程是资源分配和执行的基本单位；线程是任务调度和运行的基本单位。线程没有资源，进程给指针提供虚拟内存、栈、变量等共享资源，而线程可以共享进程的资源。

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。
CPU 特权等级的 Ring 0 和 Ring 3。
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。

进程既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时，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。

一次系统调用的过程，其实是发生了两次 CPU 上下文切换。

线程上下文切换

线程的上下文切换其实就可以分为两种情况

前后两个线程属于不同进程。此时，因为资源不共享，所以切换过程就跟进程上下文切换是一样。
前后两个线程属于同一个进程。此时，因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。

中断上下文切换

为了快速响应硬件的事件，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。

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。

中断只会发生在内核态

查看中断类型

从/proc/interrupts 这个只读文件中读取。/proc 实际上是 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 就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。

Vmstat

vmstat 是一个常用的系统性能分析工具，主要用来分析系统的内存使用情况，也常用来分析 CPU 上下文切换和中断的次数。

// 5s 输出间隔
[root@k8s ~]# 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
 4  0      0 1150604 194172 2888576    0    0     4   238   77   35 61  3 36  0  0
 2  0      0 1147236 194172 2888812    0    0     0    96 3977 4630 69  4 27  0  0

cs（context switch）是每秒上下文切换的次数。
in（interrupt）则是每秒中断的次数
r（Running or Runnable）是就绪队列的长度，也就是正在运行和等待 CPU 的进程数。
b（Blocked）则是处于不可中断睡眠状态的进程数。

Pidstat -w

pidstat给它加上 -w 选项，就可以查看每个进程上下文切换的情况了。

// -w参数表示输出进程切换指标，而-u参数则表示输出CPU使用指标
// pidstat 默认显示进程的指标数据，加上 -t 参数后，才会输出线程的指标。
 pidstat 5 -w -u
Linux 3.10.0-1062.4.1.el7.x86_64 (instance-010oj085) 	04/04/2020 	_x86_64_	(2 CPU)

04:49:06 PM   UID       PID   cswch/s nvcswch/s  Command
04:49:11 PM     0         1      0.20      0.00  systemd
04:49:11 PM     0         6      1.20      0.00  ksoftirqd/0

cswch，表示每秒自愿上下文切换（voluntary context switches）的次数，nvcswch，表示每秒非自愿上下文切换（non voluntary context switches）的次数。