Linux 效能優化之 CPU 篇 ----- 上下文切換

bossaiguo發表於2020-06-25
Linux優化

名詞解釋

  1. CPU 暫存器，是 CPU 內建的容量小、但速度極快的記憶體。而程式計數器，則是用來儲存 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 在執行任何任務前，必須的依賴環境，因此也被叫做 CPU 上下文

  2. CPU 上下文切換，就是先把前一個任務的 CPU 上下文（也就是 CPU 暫存器和程式計數器）儲存起來，然後載入新任務的上下文到這些暫存器和程式計數器，最後再跳轉到程式計數器所指的新位置，執行新任務。

  3. Linux 按照特權等級，把程式的執行空間分為核心空間和使用者空間，分別對應著下圖中， CPU 特權等級的 Ring 0 和 Ring 3。

    • 核心空間（Ring 0）具有最高許可權，可以直接訪問所有資源；
    • 使用者空間（Ring 3）只能訪問受限資源，不能直接訪問記憶體等硬體裝置，必須通過系統呼叫陷入到核心中，才能訪問這些特權資源
    • 換個角度看，也就是說，程式既可以在使用者空間執行，又可以在核心空間中執行。程式在使用者空間執行時，被稱為程式的使用者態，而陷入核心空間的時候，被稱為程式的核心態。

  4. 中斷上下文切換， 為了快速響應硬體的事件，中斷處理會打斷程式的正常排程和執行，轉而呼叫中斷處理程式，響應裝置事件。而在打斷其他程式時，就需要將程式當前的狀態儲存下來，這樣在中斷結束後，程式仍然可以從原來的狀態恢復執行。

答疑

  1. 系統呼叫的過程有沒有發生 CPU 上下文的切換呢？

    • CPU 暫存器裡原來使用者態的指令位置，需要先儲存起來。接著，為了執行核心態程式碼，CPU 暫存器需要更新為核心態指令的新位置。最後才是跳轉到核心態執行核心任務。
    • 而系統呼叫結束後，CPU 暫存器需要恢復原來儲存的使用者態，然後再切換到使用者空間，繼續執行程式。所以，一次系統呼叫的過程，其實是發生了兩次 CPU 上下文切換
    • 系統呼叫過程通常稱為特權模式切換，而不是上下文切換

  2. 程式上下文切換跟系統呼叫又有什麼區別呢？

    • 程式是由核心來管理和排程的，程式的切換隻能發生在核心態。所以，程式的上下文不僅包括了虛擬記憶體、棧、全域性變數等使用者空間的資源，還包括了核心堆疊、暫存器等核心空間的狀態。
    • 因此，程式的上下文切換就比系統呼叫時多了一步：在儲存當前程式的核心狀態和 CPU 暫存器之前，需要先把該程式的虛擬記憶體、棧等儲存下來；而載入了下一程式的核心態後，還需要重新整理程式的虛擬記憶體和使用者棧。

  3. 什麼時候會切換程式上下文？

    • 只有在程式排程的時候，才需要切換上下文。Linux 為每個 CPU 都維護了一個就緒佇列，將活躍程式（即正在執行和正在等待 CPU 的程式）按照優先順序和等待 CPU 的時間排序，然後選擇最需要 CPU 的程式，也就是優先順序最高和等待 CPU 時間最長的程式來執行。

  4. 程式在什麼時候才會被排程到 CPU 上執行呢？

    • 為了保證所有程式可以得到公平排程，CPU 時間被劃分為一段段的時間片，這些時間片再被輪流分配給各個程式。這樣，當某個程式的時間片耗盡了，就會被系統掛起，切換到其它正在等待 CPU 的程式執行
    • 程式在系統資源不足（比如記憶體不足）時，要等到資源滿足後才可以執行，這個時候程式也會被掛起，並由系統排程其他程式執行。
    • 當程式通過睡眠函式 sleep 這樣的方法將自己主動掛起時，自然也會重新排程。
    • 當有優先順序更高的程式執行時，為了保證高優先順序程式的執行，當前程式會被掛起，由高優先順序程式來執行。
    • 當硬體中斷時，CPU 上的程式會被中斷掛起，轉而執行核心中的中斷服務程式。

  5. 執行緒與程式的區別是什麼？

    • 執行緒是排程的基本單位，而程式則是資源擁有的基本單位。說白了，所謂核心中的任務排程，實際上的排程物件是執行緒；而程式只是給執行緒提供了虛擬記憶體、全域性變數等資源
    • 當程式只有一個執行緒時，可以認為程式就等於執行緒
    • 當程式擁有多個執行緒時，這些執行緒會共享相同的虛擬記憶體和全域性變數等資源。這些資源在上下文切換時是不需要修改的
    • 另外，執行緒也有自己的私有資料，比如棧和暫存器等，這些在上下文切換時也是需要儲存的

小技巧與工具


# 每隔5秒輸出1組資料
$ 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
 0  0      0 7005360  91564 818900    0    0     0     0   25   33  0  0 100  0  0

 cs（context switch）是每秒上下文切換的次數。
 in（interrupt）則是每秒中斷的次數。
 r（Running or Runnable）是就緒佇列的長度，也就是正在執行和等待 CPU 的程式數。
 b（Blocked）則是處於不可中斷睡眠狀態的程式數

# 每隔5秒輸出1組資料
$ pidstat -w 5
Linux 4.15.0 (ubuntu)  09/23/18  _x86_64_  (2 CPU)

08:18:26      UID       PID   cswch/s nvcswch/s  Command
08:18:31        0         1      0.20      0.00  systemd
08:18:31        0         8      5.40      0.00  rcu_sched

cswch ，表示每秒自願上下文切換（voluntary context switches）的次數.
nvcswch ，表示每秒非自願上下文切換（non voluntary context switches）的次數。
...
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