CPU 上下文切换详解

问题

多个进程之间竞争 CPU 的时候并没有真正运行,为什么会导致负载升高?

原因就是 CPU 上下文切换

什么是 CPU 上下文切换

Linux 是一个多任务操作系统,它支持远大于CPU 数量的任务同时运行,但实际上这些任务并不是真正的在运行,而是因为系统在很短的时间内将CPU轮流分配给它们,造成同时运行的错觉。

而每个任务在运行之前, CPU 都需要知道任务从哪里加载,到哪里去,系统需要先设置好CPU 寄存器和程序计数器

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。

上下文切换 就是先把前一个任务的 CPU 上线保存起来,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定的新位置,运行任务。而这些保存起来的上下文,会存储在系统内核中,并在任务重新调度执行时再次加载。这样就能保证任务原来的状态不受影响,让任务看起来是连续的。

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。

换个角度看,也就是说,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。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。

系统调用过程中也会发生上下文切换

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

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。

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。

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。

进程上下文切换跟系统调用又有什么区别呢?

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。

进程的上下文不仅包括了虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源,还包括了内核堆栈、寄存器等内核空间的状态,。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。

进程的上下文切换就比系统调用时多了一步: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 上运行才能完成。

进程上下文切换的潜在性能问题

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秒的 CPU 时间。这个时间还是相当可观的,特别是在进程上下文切换次数较多的情况下,很容易导致 CPU 将大量时间耗费在寄存器、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。

发生进程上下文切换的场景

1.为了保证所有进程可以得到公平调度,CPU 时间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,切换到其它正在等待 CPU 的进程运行。

2.进程在系统资源不足(比如内存不足)时,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。

3.当进程通过睡眠函数 sleep 这样的方法将自己主动挂起时,自然也会重新调度。

4.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,由高优先级进程来运行

5.发生硬件中断时,CPU 上的进程会被中断挂起,转而执行内核中的中断服务程序。

线程上下文切换

线程与进程最大的区别在于: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度,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,对于线程和进程,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。

发生线程上下文切换的场景

  1. 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。
  2. 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。

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需的状态,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。

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。

如何查看系统上下文切换情况

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。

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[email protected]:~# vmstat 5  #表示每5秒输出一组数据
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st
0 0 0 5908100 98072 2064032 0 0 4 267 101 190 7 1 91 1 0

我们一起来看这个结果,你可以先试着自己解读每列的含义。在这里,我重点强调下,需要特别关注的四列内容:

  • 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。

可以看到,这个例子中的上下文切换次数cs是190次,而系统中断次数in则是101次,而就绪队列长度r和不可中断状态进程数b都是0。

vmstat只给出了系统总体的.上下文切换情况,要想查看每个进程的详细情况,就需要使用我们前面提到过的pidstat了。给它加上-w选项,你就可以查看每个进程上下文切换的情况了。

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root@linux:~/sysstat/sysstat# ./pidstat -w 5 # 5秒输出一组数据
Linux 4.4.0-21-generic (linux) 03/26/19 _x86_64_ (4 CPU)

17:21:19 UID PID cswch/s nvcswch/s Command
17:21:24 0 7 2.00 0.00 rcu_sched
17:21:24 0 10 0.20 0.00 watchdog/0
17:21:24 0 11 0.20 0.00 watchdog/1
17:21:24 0 16 0.20 0.00 watchdog/2
17:21:24 0 21 0.20 0.00 watchdog/3
17:21:24 0 32 0.20 0.00 khugepaged
17:21:24 0 613 0.20 0.00 irqbalance
17:21:24 0 6552 1.00 0.00 kworker/2:1
17:21:24 0 6681 0.20 0.00 pidstat
17:21:24 0 6824 0.20 0.00 kworker/u128:0
17:21:24 0 17308 20.00 0.00 apt
17:21:24 0 39806 0.60 0.00 kworker/3:1

这个结果中有两列内容是我们的重点关注对象。一个是 cswch ,表示每秒自愿上下文切换(voluntary context switches)的次数,另一个则是 nvcswch ,表示每秒非自愿上下文切换(non voluntary context switches)的次数。

所谓自愿上下文切换,是指进程无法获取所需资源,导致的上下文切换。比如说, I/O、内存等系统资源不足时,就会发生自愿上下文切换。 而非自愿上下文切换,则是指进程由于时间片已到等原因,被系统强制调度,进而发生的上下文切换。比如说,大量进程都在争抢 CPU 时,就容易发生非自愿上下文切换。

实战

使用 sysbench 以10个线程运行 5分钟的基准测试,模拟多线程切换

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[[email protected] ~]#  sysbench --threads=10 --max-time=300 threads run
WARNING: --max-time is deprecated, use --time instead
sysbench 1.0.9 (using system LuaJIT 2.0.4)

Running the test with following options:
Number of threads: 10
Initializing random number generator from current time


Initializing worker threads...

Threads started!

观察上下文切换

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[[email protected] ~]# vmstat 1
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st
1 0 0 6500396 51892 1334564 0 0 47 391 2594 7463 4 5 90 1 0
0 0 0 6500396 51900 1334560 0 0 0 24 38 37 0 0 100 1 0
0 0 0 6500396 51900 1334564 0 0 0 0 15 15 0 0 100 0 0
0 0 0 6500396 51900 1334564 0 0 0 0 13 11 0 0 100 0 0
0 0 0 6500396 51900 1334564 0 0 0 0 19 19 0 0 100 0 0
7 0 0 6499864 51900 1334564 0 0 0 0 7171 159273 3 10 88 0 0
6 0 0 6499344 51900 1334564 0 0 0 12 108087 1908954 18 79 3 0 0
7 0 0 6499344 51900 1334564 0 0 0 0 110938 1913795 19 78 3 0 0
8 0 0 6499344 51900 1334564 0 0 0 0 96891 1926280 19 78 3 0 1

可以看到 cs 从19 直接飙升到 1926280,

r列 就绪列队已经到了8,远超过系统的CPU 个数2,所以肯定有大量的CPU 竞争。

us(user)和sy(system)列 这两列的 CPU 使用率加起来已经快100%了,其中 cpu 使用率,也就是sy 高达78%,说明 CPU 主要是被内核占用了。

in列 :中断次数也上升到了 96891 左右,说明中断处理也是个潜在问题。

综合这几个指标,我们可以知道,系统的就绪队列过长,也就是正在运行和等待 CPU 的进程数过多,导致了大量的上下文切换,而上下文切换又导致了系统 CPU 的占用率升高。

那如何查看是什么进程导致的问题呢,可以使用pidstat 查看,可以看到是sysbench 占用 CPU 100%

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[[email protected] ~]# pidstat -w -u 1 # -w 表示参数输出进程切换指标,-u 表示输出 CPU 指标
平均时间: UID PID %usr %system %guest %CPU CPU Command
平均时间: 0 50913 0.08 0.38 0.00 0.46 - pidstat
平均时间: 0 50914 36.04 100.00 0.00 100.00 - sysbench

18时17分42秒 UID PID cswch/s nvcswch/s Command
18时17分43秒 0 9 4.00 0.00 rcu_sched
18时17分43秒 0 95 2.00 0.00 kworker/0:2
18时17分43秒 0 401 2.00 0.00 kworker/1:2
18时17分43秒 0 43323 1.00 0.00 sshd
18时17分43秒 0 50913 1.00 0.00 pidstat

通过pidstat -t 参数可以输出线程指标

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[[email protected] ~]# pidstat -wt 1
Linux 3.10.0-862.el7.x86_64 (linux) 2019年03月26日 _x86_64_ (2 CPU)

18时23分31秒 UID TGID TID cswch/s nvcswch/s Command
18时23分32秒 0 3 - 1.96 0.00 ksoftirqd/0
18时23分32秒 0 - 3 1.96 0.00 |__ksoftirqd/0
18时23分32秒 0 9 - 7.84 0.00 rcu_sched
18时23分32秒 0 - 9 7.84 0.00 |__rcu_sched
18时23分32秒 0 14 - 0.98 0.00 ksoftirqd/1
18时23分32秒 0 - 14 0.98 0.00 |__ksoftirqd/1
18时23分32秒 0 95 - 2.94 0.00 kworker/0:2
18时23分32秒 0 - 95 2.94 0.00 |__kworker/0:2
18时23分32秒 0 401 - 1.96 0.00 kworker/1:2
18时23分32秒 0 - 401 1.96 0.00 |__kworker/1:2
18时23分32秒 0 - 22095 0.98 0.00 |__in:imjournal
18时23分32秒 0 - 22418 0.98 0.00 |__tuned
18时23分32秒 0 50930 - 0.98 0.00 sshd
18时23分32秒 0 - 50930 0.98 0.00 |__sshd
18时23分32秒 0 50946 - 0.98 0.00 vmstat
18时23分32秒 0 - 50946 0.98 0.00 |__vmstat
18时23分32秒 0 - 50949 26451.96 130818.63 |__sysbench
18时23分32秒 0 - 50950 27600.98 133845.10 |__sysbench
18时23分32秒 0 - 50951 23982.35 126614.71 |__sysbench
18时23分32秒 0 - 50952 33937.25 134397.06 |__sysbench
18时23分32秒 0 - 50953 30947.06 145492.16 |__sysbench
18时23分32秒 0 - 50954 23159.80 150108.82 |__sysbench
18时23分32秒 0 - 50955 28414.71 145317.65 |__sysbench
18时23分32秒 0 - 50956 23020.59 161437.25 |__sysbench
18时23分32秒 0 - 50957 28937.25 139644.12 |__sysbench
18时23分32秒 0 - 50958 27500.98 152278.43 |__sysbench
18时23分32秒 0 50982 - 0.98 0.00 pidstat
18时23分32秒 0 - 50982 0.98 0.00 |__pidstat

观察 /proc/interrupt 文件内容,查看变化

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# -d 参数表示高亮显示变化的区域
$ watch -d cat /proc/interrupts

观察一段时间,你可以发现,变化速度最快的是重调度中断(RES),这个中断类型表示,唤醒空闲状态的 CPU 来调度新的任务运行。这是多处理器系统(SMP)中,调度器用来分散任务到不同 CPU 的机制,通常也被称为处理器间中断(Inter-Processor Interrupts,IPI)。

所以,这里的中断升高还是因为过多任务的调度问题,跟前面上下文切换次数的分析结果是一致的。

上下文切换多少合适

这个数值其实取决于系统本身的 CPU 性能。如果系统的上下文切换次数比较稳定,那么从数百到一万以内,都应该算是正常的。但当上下文切换次数超过一万次,或者切换次数出现数量级的增长时,就很可能已经出现了性能问题。 这时,你还需要根据上下文切换的类型,再做具体分析。

比方说:

  • 自愿上下文切换变多了,说明进程都在等待资源,有可能发生了 I/O 等其他问题;
  • 非自愿上下文切换变多了,说明进程都在被强制调度,也就是都在争抢 CPU,说明 CPU 的确成了瓶颈;
  • 中断次数变多了,说明 CPU 被中断处理程序占用,还需要通过查看 /proc/interrupts 文件来分析具体的中断类型。

本文整理自极客时间:《Linux性能优化实战》

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