你知道什么是CPU上下文切换吗？

进程在竞争 CPU 的时候并没有真正运行，为什么还会导致系统的负载升高呢？CPU上下文切换就是罪魁祸首。

过多的上下文切换，会占用CPU过多时间（把 CPU 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），缩短真正运行时间，导致系统整体性能大幅下降。

CPU上下文

Linux是一个多任务操作系统，它支持远大于CPU数量的任务同时进行。当然，这些任务实际上并不是真的在同时运行，而是因为系统在很短时间内，将CPU轮流分配给它们，造成多任务同时运行的错觉。

每个任务运行前，CPU都需要知道任务从哪里加载，又从哪里开始运行，也就是说任务需要系统事先帮它设置好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。

程序计数器，则是用来存储CPU正在执行的指令位置，或者即将被执行的下一条指令位置。

CPU寄存器和程序计数器都是CPU在运行任何任务前必须依赖的环境，因此也被叫做CPU上下文。

CPU上下文切换

CPU上下文切换，就是把前一个任务的CPU上下文（寄存器和程序计数器）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的新位置，运行新任务。

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。

问题：

有人可能会觉得：CPU 上下文切换无非就是更新了 CPU 寄存器的值嘛，但这些寄存器，本身就是为了快速运行任务而设计的，为什么会影响系统的 CPU 性能呢？

因为操作系统管理的这些任务，有很多种。例如：进程，线程，还有硬件通过触发信号，会导致中断处理程序的调用（这也是一种任务）。

根据任务的不同，CPU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，线程上下文切换和中断上下文切换。

用户空间和内核空间

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。对应着 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。陷入内核空间时候，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。

问题：

系统调用的过程有没有发生 CPU 上下文的切换呢？

答案是肯定的。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（用户空间-->内核空间-->用户空间）。

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，也不会切换进程进程上下文切换。

进程上下文切换跟系统调用的区别

进程上下文切换，是指从一个进程切换到另一个进程去运行；系统调用过程中一直是同一个进程在运行，所以更应叫特权模式切换，而不是上下文切换。

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。所以，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。

因此，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。

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，导致平均负载升高。

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。

什么时候会切换进程上下文

进程调度的时候，才需要切换上下文。

什么时候进程调度？

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。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。

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 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。

进程上下文切换过程

接收到切换信号，挂起当前进程，记录当前进程的虚拟内存，栈等。

将这个进程在CPU中的上下文状态存储到内核中。

在内存中检索下一个进程的上下文，并将其加载到CPU寄存器中。

刷新新进程的虚拟内存和和用户栈。

最后跳转到程序计数器所指向的位置（即跳转到进程被中断时的代码行），以恢复该进程线程上下文切换。

线程与进程最大的区别在于：线程是调度的基本单位，而进程是系统资源分配的基本单位。

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。

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。

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。

线程上下文切换分为两种情况：

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。

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。

同进程内的线程切换，要比多进程间的切换消耗更少的资源，而这，也正是多线程代替多进程的一个优点。

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。

查看系统上下文切换情况vmstat工具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。

cs：每秒上下文切换的次数

in：每秒中断次数

r：就绪队列的长度，也就是正在运行和等待CPU进程数

b：处于不可中断睡眠状态的进程数。

此外，还可以通过pidstat工具来显示系统上下文的详细情况

# -w 显示每个进程的上下文切换情况

# 每5s显示数据

[root@promote ~]# pidstat -w 5

Linux 3.10.0-957.el7.x86_64 (promote.cache-dns.local) 2021年03月28日 _x86_64_ (1 CPU)

16时58分15秒 UID PID cswch/s nvcswch/s Command

16时58分20秒 0     3    0.60     0.00            softirqd/0

16时58分20秒 0     9   1.20      0.00           rcu_sched

16时58分20秒 0    11  0.40      0.00            watchdog/0

cswch：每秒自愿上下文切换的次数。

nvcswch：每秒非自愿上下文切换的次数。

自愿上下文切换：指进程无法获取所需资源（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：指进程由于时间片已用完等原因，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案例。

该案例中，会使用sysbench工具来模拟系统多线程调度切换情况。

sysbench工具一个多线程的基准测试工具，一般用来评估不同系统参数下的数据库负载情况

# 下载相关工具包

[root@promote ~]# yum install -y sysstat sysbench

# 查看空闲系统的上下文切换状况

# 可以看出，现在的上下文切换次数cs是45，中断次数是24，r和b都是0

[root@promote ~]# 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 255536 2108 586596 0 0 0 0 24 45 0 0 100 0 0

运行sysbench，模拟系统多线程调度的瓶颈。

# 以10个线程运行5分钟的基准测试，模拟多线程切换的问题。

[root@promote ~]# sysbench --threads=10 --max-time=300 threads run

# 运行vmstat，查看上下文切换情况

procs -------memory------- ---swap-- ---io-- -system-- ----cpu---

r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st

9 0 0 247280 2108 587532 0 0 0 0 1003 1022119 24 76 0 0 0

7 0 0 247280 2108 587532 0 0 0 0 1003 1017409 22 78 0 0 0

可以发现，cs列的上下文切换次数从之前的45上升到了102万。

r 列：就绪队列的长度已经到了 9，远远超过了系统 CPU 的个数 1，所以肯定会有大量的 CPU 竞争。

us（user）和 sy（system）列：这两列的 CPU 使用率加起来上升到了 100%，其中系统 CPU 使用率，也就是 sy 列高达 76%，说明 CPU 主要是被内核占用了。

in 列：中断次数也上升到了 一千左右，说明中断处理也是个潜在的问题。

结合这几个指标，我们可以知道。系统的就绪队列过长，也就是运行态和就绪态的进程数过多，导致了大量的上下文切换，而上下文切换又导致了系统CPU使用率过高。

# 查看上下文切换详细情况

[root@promote ~]# pidstat -w -u 1

平均时间: UID PID %usr %system %guest %CPU CPU Command

平均时间: 0 9174 0.00 0.04 0.00 0.04 - kworker/0:1

平均时间: 0 9185 20.82 70.82 0.00 91.63 - sysbench

17时22分57秒 UID PID cswch/s nvcswch/s Command

17时22分58秒 0 3 1.00 0.00 ksoftirqd/0

17时22分58秒 0 6 1.00 0.00 kworker/u256:0

17时22分58秒 0 9 4.00 0.00 rcu_sched

17时22分58秒 0 32 1.00 0.00 khugepaged

17时22分58秒 0 9130 1.00 0.00 sshd

17时22分58秒 0 9174 3.00 0.00 kworker/0:1

17时22分58秒 0 9199 1.00 0.00 pidstat

从 pidstat 的输出你可以发现，CPU 使用率的升高果然是 sysbench 导致的，它的 CPU 使用率已经达到了 91%。

我们还发现，pidstat输出的上下文切换次数明显比vmstat的102万小太多。其实Linux 调度的基本单位实际上是线程，而我们的场景 sysbench 模拟的也是线程的调度问题。

# 输出线程的上下文切换状况

[root@promote ~]# pidstat -wt -u 1

17时24分54秒 UID TGID TID cswch/s nvcswch/s Command

17时24分55秒 0 - 9186 5755.00 97158.00 |__sysbench

17时24分55秒 0 - 9187 6402.00 96626.00 |__sysbench

17时24分55秒 0 - 9188 12300.00 86233.00 |__sysbench

17时24分55秒 0 - 9189 18358.00 72233.00 |__sysbench

17时24分55秒 0 - 9190 12099.00 89000.00 |__sysbench

17时24分55秒 0 - 9191 5381.00 101184.00 |__sysbench

17时24分55秒 0 - 9192 20376.00 67949.00 |__sysbench

17时24分55秒 0 - 9193 12865.00 81345.00 |__sysbench

17时24分55秒 0 - 9194 13570.00 87814.00 |__sysbench

17时24分55秒 0 - 9195 16084.00 82019.00 |__sysbench

可以看到，sysbench进程（主线程）的上下文切换次数看起来并不多，但它的子线程的上下文切换次数却有很多。除此之外，在上面的vmstat显示的结果里，我们还看到了中断次数也上升到了一千，对此我们要查看中断的详细信息。

中断只发生在内核态，而pidstat只是一个进程的性能分析工具，所以我们要从/proc/interrupts 这个只读文件中读取。

/proc 实际上是 Linux 的一个虚拟文件系统，用于内核空间与用户空间之间的通信。/proc/interrupts 就是这种通信机制的一部分，提供了一个只读的中断使用情况。

# 查看中断使用状况

[root@promote ~]# watch -d cat /proc/interrupts

CPU0 ...RES: 2450431 Rescheduling interrupts...

最后，总结一下

自愿上下文切换变多了，一般是I/O瓶颈非自愿上下文切换变多了，一般是CPU资源不足，多个进程争抢CPU中断次数变多了，说明CPU被中断处理程序占用，需要查看/proc/interrupts 文件来分析具体的中断类型。