什么是CPU 上下文切换

首先先谈一下程序计数器(Program Counter)，计算机中提供要从存储器中取出的下一个指令地址的寄存器，通常情况下，每一个指令取出后寄存器就自动增加一步就如《微机原理》当中的 PC = PC + 1 ，在 x86 体系里是这样。x86 系统中自增的是 IP，用 CS:IP 组合表示正在执行的指令地址，此时 PC 只是一个概念上的说法。在 ARM 体系中 R15 就是 PC，当然 ARM 和 IA-32、x64 都支持高级内存管理，所以「PC」的内容未必是当前指令在内存中的绝对位置。

CPU 上下文 可以理解成 CPU寄存器状态以及程序计数器PC ，这些都是记录CPU当前任务的状态。CPU 上下文切换会把当前的cpu的上下文保存下来，然后加载新任务的对应上下文，而这些保存下来的上下文，会存储在系统内核中，并在任务重新调度执行时再次加载进来。这样就能保证任务原来的状态不受影响，让任务看起来还是连续运行。

任务一般包括:

1.进程

2.线程

3.中断上下文

CPU 上下文的切换会因特权模式切换、进程上下文切换、线程上下文切换以及中断上下文切换 产生。

特权模式切换

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。

进程可以在用户空间运行，也可以在内核空间运行。当调用open()、read()、write()、close()系统函数,CPU会保存原来用户态的指令位置，然后更新CPU寄存器内核态指令的新位置。最后执行内核态函数。当系统调用结束后，CPU恢复原来的用户态，切换回用户空间继续执行进程。

可以看到用户态->内核态，内核态->用户态这两个过程总共是产生了两次CPU上下文切换。不过，需要注意的是，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

进程上下文切换

进程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，与系统调用相比进程间的切换还需要把内容保存下来。

进程上下文切换数量多，容易导致CPU花费更多的时间在寄存器、虚拟内存、内核栈等资源的保存和恢复上，减少了进程运行时间，致使平均负载升高。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。

进程上下文切换发生在进程调度的过程。

主要在以下场景触发：

CPU时间是被划分成各个时间片，当前进程的时间片被耗尽之后会被系统挂起，切换到其他正在等待CPU的进程来运行。
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。

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

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。

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。linux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。进程中只有一个线程，进程等于线程。因为同一进程下线程是共享虚拟内存，相关间的切换只需保存其私有数据、寄存器等，因此进程内的线程切换比进程间的切换消耗更少资源。

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。

CPU上下文切分析

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。

root@ECSab169d:~# vmstat 5procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu----- r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st 1  0  90720 3960176   1036 3014980    0    0    35    85    0    1  1  0 98  0  0 0  0  90720 3959928   1036 3015004    0    0     0    24  240  358  0  0 99  0  0 0  1  90720 3959356   1036 3015068    0    0     0    34  260  390  1  0 99  0  0 0  0  90720 3959204   1036 3015088    0    0     0    23  234  340  0  0 99  0  0 0  0  90720 3960708   1036 3015088    0    0     0   609  297  429  0  0 99  0  0 0  0  90720 3960772   1036 3015112    0    0     0   140  295  410  0  0 99  0  0 0  0  90720 3960688   1036 3015164    0    0     0    36  269  406  0  0 99  0  0

r 是就绪队列的长度，也就是正在运行和等待 CPU 的进程数。

b 则是处于不可中断睡眠状态的进程数

swpd 交换分区大小，一般在内存不足的情况会使用swap进行扩展。

free 空闲的物理内存的大小，我的机器内存总共8G，剩余3415M。

buff Linux/Unix系统是用来存储，目录里面有什么内容，权限等的缓存，我本机大概占用300多M

cache cache直接用来记忆我们打开的文件,给文件做缓冲，我本机大概占用300多M(这里是Linux/Unix的聪明之处，把空闲的物理内存的一部分拿来做文件和目录的缓存，是为了提高程序执行的性能，当程序使用内存时，buffer/cached会很快地被使用。)

si 每秒从磁盘读入虚拟内存的大小，如果这个值大于0，表示物理内存不够用或者内存泄露了，要查找耗内存进程解决掉。我的机器内存充裕，一切正常。

so 每秒虚拟内存写入磁盘的大小，如果这个值大于0，同上。

bi 块设备每秒接收的块数量，这里的块设备是指系统上所有的磁盘和其他块设备，默认块大小是1024byte，我本机上没什么IO操作，所以一直是0，但是我曾在处理拷贝大量数据(2-3T)的机器上看过可以达到140000/s，磁盘写入速度差不多140M每秒

bo 块设备每秒发送的块数量，例如我们读取文件，bo就要大于0。bi和bo一般都要接近0，不然就是IO过于频繁，需要调整。

in 每秒CPU的中断次数，包括时间中断

cs 每秒上下文切换次数

可以看到，这个例子中的上下文切换次数 cs 是 33 次，而系统中断次数 in 则是 25 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。

root@xxxxx:~# pidstat -w 5Linux 4.15.0-66-generic (xxxxx)     01/25/2021      _x86_64_        (4 CPU)05:30:32 PM   UID       PID   cswch/s nvcswch/s  Command05:30:37 PM     0         8     18.16      0.00  rcu_sched05:30:37 PM     0        11      0.20      0.00  watchdog/005:30:37 PM     0       183      4.59      0.00  kworker/3:1H05:30:37 PM     0       388      2.40      0.00  kworker/0:1H05:30:37 PM     0       546      0.20      0.00  irqbalance05:30:37 PM     0       621      9.98      0.00  qemu-ga05:30:37 PM   109       663      0.40      0.00  uml_switch05:30:37 PM     0      1275      0.40      0.00  master05:30:37 PM   110      1277      0.20      0.00  qmgr05:30:37 PM     0      5896      7.39      0.00  kworker/0:005:30:37 PM     0     13579      8.18      0.00  sshd05:30:37 PM     0     13766      0.20      0.00  vmstat05:30:37 PM     0     26398      5.19      0.00  kworker/u8:105:30:37 PM     0     28341      6.19      0.00  kworker/u8:205:30:37 PM     0     28898      5.99      1.40  bash

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。

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。

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。

总结

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。

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