环球微资讯！聊聊Linux中CPU上下文切换

CPU 的上下文切换分三种：进程上下文切换、线程上下文切换、中断上下文切换。

上一任务的CPU上下文保存在哪？

我们知道因为CPU过于昂贵，其性能与其他储存设备有数量级的差距，为了充分压榨其性能，计算机将CPU的时间进行分片，让各个程序在CPU上轮转执行，被剥夺执行权的程序，等后面CPU继续执行它的时候，这时需要一个数据结构来保存相关信息，以便之后恢复继续执行，这个其实就是进程。

(资料图片仅供参考)

CPU上下文会被保存在进程的内核空间（kernel space）上。OS在给每个进程分配虚拟内存空间时，会分配一个内核空间，这部分内存只能由内核代码访问。OS在切换CPU上下文前，会先将当前CPU的通用寄存器、PC等进程现场信息保存在进程的内核空间上，待下次切换时，再取出重新装载到CPU上，以恢复任务的运行。

进程上下文切换

内核空间和用户空间

我们知道为了限制不同的指令的访问能力，提升安全，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。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。

常见的内核操作：分配内存、IO操作、创建子进程……

常见的用户态空间程序：数据库、web服务器、shell脚本、Java程序或者其他常见语言的程序……

我们一起看下Linux整体架构图：

top命令查看CPU资源

在linux系统使用top命令查看cpu时，能看到用户态和内核态占用的cpu资源其中各项数据表示内容：

系统调用

对于一个进程来说，比如web服务的进程，一般是运行在用户态的，但是当需要访问内存、磁盘等硬件设备的时候需要先进入到内核态中，也就是从用户态到内核态的转变，而这种转变需要借助系统调用来实现。系统调用是内核向用户进程提供服务的唯一方法。

比如查看文件时，需要执行多次系统调用：open()打开文件，read()读取文件内容，write()将文件内容输出到控制台，最后close()关闭文件等。系统调用的过程如下：

我们可以发现一次系统调用的过程，其实是发生了两次 CPU 上下文切换（用户态-内核态-用户态）。

需要注意的是:系统调用过程中，不涉及虚拟内存等进程用户态的资源，也不会切换进程，也就是系统调用过程中一直是同一个进程在运行。系统调用过程也通常称为特权模式切换。

进程上下文切换 和 系统调用的区别？

需要注意的是：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，保存上下文和恢复上下文的过程并不免费，需要消耗一定资源

进程切换的常见场景

进程切换时需要切换上下文，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，将活跃进程（即正在运行和正在等待 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。进程切换的场景有：

线程上下文切换

对操作系统来说，进程是资源分配的基本单位，而线程则是任务调度的基本单位。内核中的任务调度实际是在调度线程，进程只是给线程提供虚拟内存、全局变量等资源。线程上下文切换时，共享相同的虚拟内存和全局变量等资源不需要修改。而线程自己的私有数据，如栈和寄存器等，上下文切换时需要保存。

关于进程和线程的区别：

因此线程上下文切换有两种情况：

中断上下文切换

上下文切换有时也因硬件中断而触发。硬件中断是指硬件设备（如键盘、鼠标、调试解调器、系统时钟）给内核发送的一个信号，该信号表示一个事件（如按键、鼠标移动、从网络连接接收到数据）发生了。

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，然后调用中断处理程序，响应设备事件。在打断其他进程时，需要先将进程当前的状态保存下来，等中断结束后，进程仍然可以恢复回来。

跟进程上下文不同，中断上下文切换不涉及进程的用户态。所以，即便中断过程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、全局变量等用户态资源。中断上下文，只包括内核态中断服务程序执行所必需的状态，也就是 CPU 寄存器、内核堆栈、硬件中断参数等。

中断上下文切换并不涉及到进程的用户态。所以即便中断过程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、全局变量等用户态资源。中断上下文，其实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。

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不会与进程上下文切换同时发生。并且，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，以便可以尽快完成。

上下文切换的消耗

上下文切换通常是计算密集型的。也就是说，它需要相当可观的处理器时间，在每秒几十上百次的切换中，每次切换都需要纳秒量级的时间。所以，上下文切换对系统来说意味着消耗大量的 CPU 时间，事实上，可能是操作系统中时间消耗最大的操作。

Linux相比与其他操作系统（包括其他类 Unix 系统）有很多的优点，其中有一项就是，其上下文切换和模式切换的时间消耗非常少。

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。不管是哪种场景导致的上下文切换，你都应该知道：

补充：vmstat命令查看整体CPU上下文切换情况

上面已经介绍到CPU上下文切换分为进程上下文切换、线程上下文切换、中断上下文切换，那么过多的上下文切换会把CPU的时间消耗在寄存器、内核栈以及虚拟内存等数据的保存和恢复上，缩短进程真正运行的时间，成为系统性能大幅下降的一个因素

所以我们可以使用vmstat这个工具来查询系统的上下文切换情况，vmstat是一个常用的系统性能分析工具，可以用来分析CPU上下文切换和中断的次数执行如下的命令：vmstat 5（每隔5s输出一组数据）该命令输出信息中，各个字段以及含义：

procs：procs 中有 r 和 b 列，它报告进程统计信息。在上面的输出中，在运行队列（r）中有两个进程在等待 CPU 并有零个休眠进程（b）。通常，它不应该超过处理器（或核心）的数量，如果你发现异常，最好使用 top 命令进一步地排除故障。

memory：memory 下有报告内存统计的 swpd、free、buff 和 cache 列。你可以用 free -m 命令看到同样的信息。在上面的内存统计中，统计数据以千字节表示，这有点难以理解，最好添加 M 参数来看到以兆字节为单位的统计数据。

swap：swap 有 si 和 so 列，用于报告交换内存统计信息。你可以用 free -m 命令看到相同的信息。

I/O：I/O 有 bi 和 bo 列，它以“块读取”和“块写入”的单位来报告每秒磁盘读取和写入的块的统计信息。如果你发现有巨大的 I/O 读写，最好使用 iotop 和 iostat 命令来查看。

system：system 有 in 和 cs 列，它报告每秒的系统操作。

CPU：CPU 有 us、sy、id 和 wa 列，报告（所用的） CPU 资源占总 CPU 时间的百分比。如果你发现异常，最好使用 top 和 free 命令。

补充：pidstat命令查看进程的CPU上下文切换情况

执行如下的命令：pidstat，查看进程的CPU上下文切换情况如果没有安装，yum install sysstat安装即可

在结果中你能看到如下内容：

参考资料：

《Linux内核设计与实现》

《Linux性能优化实战》

http://ifeve.com/context-switch-definitionhttps://www.it610.com/article/1289356670568308736.htm

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