Linux CPU背景關系切換

CPU背景關系

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定好 CPU 暫存器和程式計數器（Program Counter，PC），

CPU 暫存器，是 CPU 內置的容量小、但速度極快的記憶體，而程式計數器，則是用來存盤 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 背景關系，

CPU 背景關系切換

1. 就是先把前一個任務的 CPU 背景關系（也就是 CPU 暫存器和程式計數器）保存起來
2. 加載新任務的背景關系到這些暫存器和程式計數器
3. 跳轉到程式計數器所指的新位置，運行新任務，

根據任務的不同，CPU 的背景關系切換就可以分為幾個不同的場景，也就是行程背景關系切換、執行緒背景關系切換以及中斷背景關系切換，

行程和執行緒

行程是資源分配和執行的基本單位；執行緒是任務調度和運行的基本單位，執行緒沒有資源，行程給指標提供虛擬記憶體、堆疊、變數等共享資源，而執行緒可以共享行程的資源，

行程背景關系切換

Linux 按照特權等級，把行程的運行空間分為內核空間和用戶空間，
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，不能直接訪問記憶體等硬體設備，必須通過系統呼叫陷入到內核中，才能訪問這些特權資源，

行程既可以在用戶空間運行，又可以在內核空間中運行，行程在用戶空間運行時，被稱為行程的用戶態，而陷入內核空間的時候，被稱為行程的內核態，從用戶態到內核態的轉變，需要通過系統呼叫來完成，

一次系統呼叫的程序，其實是發生了兩次 CPU 背景關系切換，

執行緒背景關系切換

執行緒的背景關系切換其實就可以分為兩種情況

• 前后兩個執行緒屬于不同行程，此時，因為資源不共享，所以切換程序就跟行程背景關系切換是一樣，
• 前后兩個執行緒屬于同一個行程，此時，因為虛擬記憶體是共享的，所以在切換時，虛擬記憶體這些資源就保持不動，只需要切換執行緒的私有資料、暫存器等不共享的資料，

中斷背景關系切換

為了快速回應硬體的事件，中斷處理會打斷行程的正常調度和執行，轉而呼叫中斷處理程式，回應設備事件，而在打斷其他行程時，就需要將行程當前的狀態保存下來，這樣在中斷結束后，行程仍然可以從原來的狀態恢復運行，

對同一個 CPU 來說，中斷處理比行程擁有更高的優先級，所以中斷背景關系切換并不會與行程背景關系切換同時發生，同樣道理，由于中斷會打斷正常行程的調度和執行，所以大部分中斷處理程式都短小精悍，以便盡可能快的執行結束，

中斷只會發生在內核態

查看中斷型別

從/proc/interrupts 這個只讀檔案中讀取，/proc 實際上是 Linux 的一個虛擬檔案系統，用于內核空間與用戶空間之間的通信，/proc/interrupts 就是這種通信機制的一部分，提供了一個只讀的中斷使用情況，

Vmstat

vmstat 是一個常用的系統性能分析工具，主要用來分析系統的記憶體使用情況，也常用來分析 CPU 背景關系切換和中斷的次數，

// 5s 輸出間隔
[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）是每秒背景關系切換的次數，
in（interrupt）則是每秒中斷的次數
r（Running or Runnable）是就緒佇列的長度，也就是正在運行和等待 CPU 的行程數，
b（Blocked）則是處于不可中斷睡眠狀態的行程數，

Pidstat -w

pidstat給它加上 -w 選項，就可以查看每個行程背景關系切換的情況了，

// -w引數表示輸出行程切換指標，而-u引數則表示輸出CPU使用指標
// pidstat 默認顯示行程的指標資料，加上 -t 引數后，才會輸出執行緒的指標，
 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，表示每秒自愿背景關系切換（voluntary context switches）的次數，nvcswch，表示每秒非自愿背景關系切換（non voluntary context switches）的次數，

• 所謂自愿背景關系切換，是指行程無法獲取所需資源，導致的背景關系切換，比如說， I/O、記憶體等系統資源不足時，就會發生自愿背景關系切換，
• 而非自愿背景關系切換，則是指行程由于時間片已到等原因，被系統強制調度，進而發生的背景關系切換，比如說，大量行程都在爭搶 CPU 時，就容易發生非自愿背景關系切換，

總結

• CPU 背景關系切換，是保證 Linux 系統正常作業的核心功能之一，一般情況下不需要我們特別關注，
• 但過多的背景關系切換，會把 CPU 時間消耗在暫存器、內核堆疊以及虛擬記憶體等資料的保存和恢復上，從而縮短行程真正運行的時間，導致系統的整體性能大幅下降，

背景關系切換型別：

• 自愿背景關系切換變多了，說明行程都在等待資源，有可能發生了 I/O 等其他問題；
• 非自愿背景關系切換變多了，說明行程都在被強制調度，也就是都在爭搶 CPU，說明 CPU 的確成了瓶頸；
• 中斷次數變多了，說明 CPU 被中斷處理程式占用，還需要通過查看 /proc/interrupts 檔案來分析具體的中斷型別，

學習筆記
來自極客時間：《Linux性能優化實戰》

標籤：Linux

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