linux性能优化-CPU上下文切换

疑问：进程在竞争CPU时并没有真正运行，为什么还会导致系统的负载升高？

因为存在CPU上下文切换。

linux系统说明

1. 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。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的时间内，将CPU轮流分配给他们，造成多任务同时运行的错觉。
2. 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Ring0和Ring3。 （1）内核空间（Ring0）: 具有最高权限，可以直接访问所有资源； （2）用户空间（Ring3）: 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； （3）Linux中，只用到Ring0和Ring3这两个特权级；
3. /proc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提供了一个只读的中断使用情况。

CPU上下文切换分类

根据任务的不同，CPU上下文切换可以分为几个不同的场景，进程上下文切换，线程上下文切换，中断上下文切换。

一、系统调用

1. 在发生系统调用时，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。最后才跳转到内核态运行内核任务；
2. 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，发生了两次的CPU上下文切换。
3. 注意：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，一直是同一个进程在运行。
4. 系统调用过程通常称为特权模式切换，而不是上下文切换。

二、进程上下文切换

1. 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。
2. 进程上下文切换，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。
3. 每次上下文切换需要几十纳秒到数微妙的CPU时间。
4. 进程切换时需要切换上下文。

进程调度触发场景

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。

三、线程上下文切换

1. 线程是调度的基本单位，而进程是资源拥有的基本单位；内核中的任务调度，实际调度对象是线程。
2. 当进程只有一个线程时，可以认为进程等于线程。
3. 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。
4. 线程拥有自己的私有数据，比如栈和寄存器，这些在上下文切换时是需要保存的。

线程上下文切换场景

1. 两个线程属于不同进程，与进程上下文切换保持一致。
2. 两个线程属于同一进程，虚拟内存共享，所以切换消耗资源更少。

四、中断上下文切换

1. 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。
2. 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。

五、总结

1. 过多的上下文切换会把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，从而缩短进程真正的运行时间，导致系统的整体性能大幅下降。
2. 切换开销大致排名：进程上下文切换>同进程线程上下文切换>中断上下文切换/系统调用。
3. 自愿上下文切换变多，说明进程都在等待资源，有可能发生了I/O等其他问题。
4. 非自愿上下文切换变多，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。
5. 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。

六、相关工具

1. vmstat: 系统性能分析工具， 主要用来分析内存，也常用来分析CPU上下文切换和中断的次数。
2. pidstat: -w参数查看上下文切换 （1）cswch: 每秒自愿上下文切换次数，指进程无法获取所需资源，导致的上下文切换。比如I/O, 内存等系统资源不足，就会发生自愿上下文切换。 （2）nvcswch: 每秒非自愿上下文切换，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。
3. sysbench： 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。