02什么是CPU上下文切换

上?节， 讲了要怎么理解平均负载（ Load Average） ， 并?三个案例展示了不同场景下平均负载升?的分析?法。 这其中， 多个进程竞争 CPU 就是?个经常被我们忽视的问题。

1、CPU上下文切换的概念

我想你?定很好奇， 进程在竞争 CPU 的时候并没有真正运?， 为什么还会导致系统的负载升?呢？ 看到今天的主题， 你应该已经猜到了， CPU 上下?切换就是罪魁祸?。

我们都知道， Linux 是?个多任务操作系统， 它?持远?于 CPU 数量的任务同时运?。 当然， 这些任务实际上并不是真的在同时运?， ?是因为系统在很短的时间内， 将 CPU 轮流分配给它们， 造成多任务同时运?的错觉。

?在每个任务运?前， CPU 都需要知道任务从哪?加载、 ?从哪?开始运?， 也就是说， 需要系统事先帮它设置好 CPU 寄存器和程序计数器（Program Counter， PC） 。

CPU 寄存器， 是 CPU 内置的容量?、 但速度极快的内存。 ?程序计数器， 则是?来存储 CPU 正在执?的指令位置、 或者即将执?的下?条指令位置。 它们都是 CPU 在运?任何任务前， 必须的依赖环境， 因此也被叫做 CPU 上下?。

知道了什么是 CPU 上下?， 我想你也很容易理解 CPU 上下?切换。 CPU 上下?切换， 就是先把前?个任务的 CPU 上下?（也就是 CPU 寄存器和程序计数器） 保存起来， 然后加载新任务的上下?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?新任务。

?这些保存下来的上下?， 会存储在系统内核中， 并在任务重新调度执?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?。

我猜肯定会有?说， CPU 上下?切换??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?任务?设计的， 为什么会影响系统的 CPU 性能呢？

在回答这个问题前， 不知道你有没有想过， 操作系统管理的这些“任务”到底是什么呢？

也许你会说， 任务就是进程， 或者说任务就是线程。 是的， 进程和线程正是最常?的任务。 但是除此之外， 还有没有其他的任务呢？

不要忘了， 硬件通过触发信号， 会导致中断处理程序的调?， 也是?种常?的任务。

2、CPU上下文切换的分类

所以， 根据任务的不同， CPU 的上下?切换就可以分为?个不同的场景， 也就是进程上下?切换、 线程上下?切换以及中断上下?切换。

这节课我就带你来看看， 怎么理解这?个不同的上下?切换， 以及它们为什么会引发 CPU 性能相关问题。

2.1 进程上下?切换

Linux 按照特权等级， 把进程的运?空间分为内核空间和?户空间， 分别对应着下图中， CPU 特权等级的 Ring 0 和 Ring3。

• ? 内核空间（Ring 0） 具有最?权限， 可以直接访问所有资源；

• ? ?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?陷?到内核中， 才能访问这些特权资源。

换个?度看， 也就是说， 进程既可以在?户空间运?， ?可以在内核空间中运?。 进程在?户空间运?时， 被称为进程的?户态， ?陷?内核空间的时候， 被称为进程的内核态。

从?户态到内核态的转变， 需要通过系统调?来完成。 ?如， 当我们查看?件内容时， 就需要多次系统调?来完成： ?先调?open() 打开?件， 然后调? read() 读取?件内容， 并调? write() 将内容写到标准输出， 最后再调? close() 关闭?件。

那么， 系统调?的过程有没有发? CPU 上下?的切换呢？ 答案? 然是肯定的。

CPU 寄存器?原来?户态的指令位置， 需要先保存起来。 接着， 为了执?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?内核任务。

?系统调?结束后， CPU寄存器需要恢复原来保存的?户态， 然后再切换到?户空间， 继续运?进程。 所以， ?次系统调?的过程， 其实是发?了两次 CPU 上下?切换。

不过， 需要注意的是， 系统调?过程中， 并不会涉及到虚拟内存等进程?户态的资源， 也不会切换进程。 这跟我们通常所说的进程上下?切换是不?样的：

进程上下?切换， 是指从?个进程切换到另?个进程运?。

?系统调?过程中?直是同?个进程在运?。

所以， 系统调?过程通常称为特权模式切换， ?不是上下?切换。 但实际上， 系统调?过程中， CPU 的上下?切换还是?法避免的。

那么， 进程上下?切换跟系统调??有什么区别呢？

?先， 你需要知道， 进程是由内核来管理和调度的， 进程的切换只能发?在内核态。 所以， 进程的上下?不仅包括了虚拟内存、 栈、 全局变量等?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?切换就?系统调?时多了?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； ?加载了下?进程的内核态后， 还需要刷新进程的虚拟内存和?户栈。

如下图所示， 保存上下?和恢复上下?的过程并不是“免费”的， 需要内核在 CPU 上运?才能完成。

根据 Tsuna 的测试报告， 每次上下?切换都需要??纳秒到数微秒的 CPU 时间。 这个时间还是相当可观的， 特别是在进程上下?切换次数较多的情况下， 很容易导致 CPU 将?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???缩短了真正运?进程的时间。 这也正是上?节中我们所讲的， 导致平均负载升?的?个重要因素。

另外， 我们知道， 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。

知道了进程上下?切换潜在的性能问题后， 我们再来看， 究竟什么时候会切换进程上下?。

显然， 进程切换时才需要切换上下?， 换句话说， 只有在进程调度的时候， 才需要切换上下?。 Linux 为每个 CPU 都维护了?个就绪队列， 将活跃进程（即正在运?和正在等待CPU的进程） 按照优先级和等待 CPU 的时间排序， 然后选择最需要CPU 的进程， 也就是优先级最?和等待CPU时间最?的进程来运?。

那么， 进程在什么时候才会被调度到 CPU 上运?呢？

最容易想到的?个时机， 就是进程执?完终?了， 它之前使?的CPU会释放出来， 这个时候再从就绪队列?， 拿?个新的进程过来运?。 其实还有很多其他场景， 也会触发进程调度， 在这?我给你逐个梳理下。

• 其?， 为了保证所有进程可以得到公平调度， CPU时间被划分为?段段的时间?， 这些时间?再被轮流分配给各个进程。 这样， 当某个进程的时间?耗尽了， 就会被系统挂起， 切换到其它正在等待 CPU 的进程运?。
• 其?， 进程在系统资源不?（?如内存不?） 时， 要等到资源满?后才可以运?， 这个时候进程也会被挂起， 并由系统调度其他进程运?。
• 其三， 当进程通过睡眠函数 sleep 这样的?法将? ?主动挂起时， ?然也会重新调度。
• 其四， 当有优先级更?的进程运?时， 为了保证?优先级进程的运?， 当前进程会被挂起， 由?优先级进程来运?。
• 最后?个， 发?硬件中断时， CPU上的进程会被中断挂起， 转?执?内核中的中断服务程序。

了解这?个场景是?常有必要的， 因为?旦出现上下?切换的性能问题， 它们就是幕后凶?。

2.2 线程上下?切换

说完了进程的上下?切换， 我们再来看看线程相关的问题。

线程与进程最?的区别在于， 线程是调度的基本单位， ?进程则是资源拥有的基本单位。 说?了， 所谓内核中的任务调度， 实际上的调度对象是线程； ?进程只是给线程提供了虚拟内存、 全局变量等资源。 所以， 对于线程和进程， 我们可以这么理解：

当进程只有?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?切换时是不需要修改的。

另外， 线程也有??的私有数据， ?如栈和寄存器等， 这些在上下?切换时也是需要保存的。

这么?来， 线程的上下?切换其实就可以分为两种情况：

第?种， 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?切换是?样。

第?种， 前后两个线程属于同?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。

到这?你应该也发现了， 虽然同为上下?切换， 但同进程内的线程切换， 要?多进程间的切换消耗更少的资源， ?这， 也正是多线程代替多进程的?个优势。

2.3 中断上下?切换

除了前?两种上下?切换， 还有?个场景也会切换 CPU 上下?， 那就是中断。

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?， 转?调?中断处理程序， 响应设备事件。 ?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?。

跟进程上下?不同， 中断上下?切换并不涉及到进程的?户态。 所以， 即便中断过程打断了?个正处在?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?户态资源。 中断上下?， 其实只包括内核态中断服务程序执?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?个 CPU 来说， 中断处理?进程拥有更?的优先级， 所以中断上下?切换并不会与进程上下?切换同时发?。 同样道理， 由于中断会打断正常进程的调度和执?， 所以?部分中断处理程序都短?精悍， 以便尽可能快的执?结束。

另外， 跟进程上下?切换?样， 中断上下?切换也需要消耗CPU， 切换次数过多也会耗费?量的 CPU， 甚?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。

3、怎么查看系统的上下?切换情况

通过前?学习我们知道， 过多的上下?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， 缩短进程真正运?的时间， 成了系统性能?幅下降的元凶。

既然上下?切换对系统性能影响那么?， 到底要怎么查看上下?切换呢？ 在这?， 我们可以使?vmstat 这个?具， 来查询系统的上下?切换情况。

如何确认vmstat的安装包呢？
# sudo apt install -y apt-file
# sudo apt-file update
# sudo apt-file search vmstat
...
procps: /usr/share/man/man8/vmstat.8.gz
...
以上就可以确认vmstat命令是需要安装procps安装包

# 安装vmstat命令：
sudo apt install -y procps
sudo yum install -y proc-ng
vmstat 命令是 procp-ng 软件包的?部分，其中包含其他?些实?的性能分析命令，如 free 和 top。vmstat（VirtualMeomoryStatistics，虚拟内存统计）是Linux中监控内存的常用工具，可对操作系统的虚拟内存、进程、CPU等的整体情况进行监视。
如果不使?任何参数，vmstat 命令将显??启动以来系统各个统计信息的平均值。vmstat 命令可接受似于 sysstat 软件包实?程序的两个参数。其中，第?个参数为 delay 选项，第?个参数为 count 选项。
默认情况下，内存统计信息将以 KiB 为单位来报告。通过 -S 选项，可分别使? -S k、-S m 和 -S M 选项将报告单位变更为 KB、MB 或 MiB。
命令参数详解：
vmstat [options] [delay [count] ]
-a：显示活跃和非活跃内存
-f：显示从系统启动至今的fork数量 。
-m：显示slabinfo
-n：只在开始时显示一次各字段名称。
-s：显示内存相关统计信息及多种系统活动数量。
delay：刷新时间间隔。如果不指定，只显示一条结果。
count：刷新次数。如果不指定刷新次数，但指定了刷新时间间隔，这时刷新次数为无穷。
-d：显示磁盘相关统计信息。
-p：显示指定磁盘分区统计信息
-S：使用指定单位显示。默认单位为K（1024 bytes）。

vmstat 是?个常?的系统性能分析?具， 主要?来分析系统的内存使?情况， 也常?来分析 CPU 上下?切换和中断的次数。?如， 下?就是?个 vmstat 的使?示例：

# 每隔5秒输出1组数据
$ 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

我们?起来看这个结果， 你可以先试着? ?解读每列的含义。 在这?， 我重点强调下， 需要特别关注的四列内容：

cs（context switch） 是每秒上下?切换的次数。
in（interrupt） 则是每秒中断的次数。
r（Running or Runnable） 是就绪队列的?度， 也就是正在运?和等待CPU的进程数。
b（Blocked） 则是处于不可中断睡眠状态的进程数。

可以看到， 这个例?中的上下?切换次数 cs 是33次， ?系统中断次数 in 则是25次， ?就绪队列?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?切换情况， 要想查看每个进程的详细情况， 就需要使?我们前?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?切换的情况了。?如说：

# 每隔5秒输出1组数据
$ 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

...

这个结果中有两列内容是我们的重点关注对象。 ?个是 cswch ， 表示每秒?愿上下?切换（voluntary context switches） 的次数， 另?个则是 nvcswch ， 表示每秒??愿上下?切换（non voluntary context switches） 的次数。

这两个概念意味着不同的性能问题：

所谓?愿上下?切换， 是指进程?法获取所需资源， 导致的上下?切换。 ?如说， I/O、 内存等系统资源不?时， 就会发?? 愿上下?切换。

???愿上下?切换， 则是指进程由于时间?已到等原因， 被系统强制调度， 进?发?的上下?切换。 ?如说， ?量进程都在争抢 CPU 时， 就容易发???愿上下?切换。

4、案例分析

知道了怎么查看这些指标， 另?个问题?来了， 上下?切换频率是多少次才算正常呢？ 别急着要答案， 同样的， 我们先来看?个上下?切换的案例。 通过案例实战演练， 你? ?就可以分析并找出这个标准了。

你的准备

今天的案例， 我们将使? sysbench 来模拟系统多线程调度切换的情况。

sysbench 是?个多线程的基准测试?具， ?般?来评估不同系统参数下的数据库负载情况。 当然， 在这次案例中， 我们只把它当成?个异常进程来看， 作?是模拟上下?切换过多的问题。

下?的案例基于 Ubuntu 18.04， 当然， 其他的 Linux 系统同样适?。 我使?的案例环境如下所示：

• 机器配置： 2 CPU， 8GB 内存
• 预先安装 sysbench 和 sysstat 包， 如 apt install sysbench sysstat

正式操作开始前， 你需要打开三个终端， 登录到同?台 Linux 机器中， 并安装好上?提到的两个软件包。

另外注意， 下?所有命令， 都默认以 root ?户运?。 所以， 如果你是?普通?户登陆的系统， 记住先运? sudo su root 命令切换到 root ?户。

安装完成后， 你可以先? vmstat 看?下空闲系统的上下?切换次数：

# 间隔1秒后输出1组数据
$ vmstat 1 1
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 6984064  92668 830896   0   0   2   19  19  35  1  0 99  0  0

这?你可以看到， 现在的上下?切换次数 cs 是35， ?中断次数 in 是19， r和b都是0。 因为这会?我并没有运?其他任务， 所以它们就是空闲系统的上下?切换次数。

操作和分析

接下来， 我们正式进?实战操作。

?先， 在第?个终端?运? 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
$ sysbench --threads=10 --max-time=300 threads run

接着， 在第?个终端运? vmstat ， 观察上下?切换情况：

# 每隔1秒输出1组数据（需要Ctrl+C才结束）
$ vmstat 1
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
 r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st
 6  0      0 6487428 118240 1292772    0    0     0     0 9019 1398830 16 84  0  0  0
 8  0      0 6487428 118240 1292772    0    0     0     0 10191 1392312 16 84  0  0  0

你应该可以发现， cs 列的上下?切换次数从之前的 35 骤然上升到了 139 万。 同时， 注意观察其他?个指标：

r 列：就绪队列的长度已经到了 8，远远超过了系统 CPU 的个数 2，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 84%，说明 CPU 主要是被内核占用了。
in  列：中断次数也上升到了 1 万左右，说明中断处理也是个潜在的问题。

综合这?个指标， 我们可以知道， 系统的就绪队列过?， 也就是正在运?和等待CPU的进程数过多， 导致了?量的上下?切换， ?上下?切换?导致了系统 CPU 的占?率升?。

那么到底是什么进程导致了这些问题呢？

我们继续分析， 在第三个终端再? pidstat 来看?下， CPU 和进程上下?切换的情况：

# 每隔1秒输出1组数据（需要 Ctrl+C 才结束）
# -w参数表示输出进程切换指标，而-u参数则表示输出CPU使用指标
$ pidstat -w -u 1
08:06:33      UID       PID    %usr %system  %guest   %wait    %CPU   CPU  Command
08:06:34        0     10488   30.00  100.00    0.00    0.00  100.00     0  sysbench
08:06:34        0     26326    0.00    1.00    0.00    0.00    1.00     0  kworker/u4:2

08:06:33      UID       PID   cswch/s nvcswch/s  Command
08:06:34        0         8     11.00      0.00  rcu_sched
08:06:34        0        16      1.00      0.00  ksoftirqd/1
08:06:34        0       471      1.00      0.00  hv_balloon
08:06:34        0      1230      1.00      0.00  iscsid
08:06:34        0      4089      1.00      0.00  kworker/1:5
08:06:34        0      4333      1.00      0.00  kworker/0:3
08:06:34        0     10499      1.00    224.00  pidstat
08:06:34        0     26326    236.00      0.00  kworker/u4:2
08:06:34     1000     26784    223.00      0.00  sshd

从pidstat的输出你可以发现， CPU 使?率的升?果然是 sysbench 导致的， 它的 CPU 使?率已经达到了 100%。 但上下?切换则是来?其他进程， 包括??愿上下?切换频率最?的 pidstat ， 以及? 愿上下?切换频率最?的内核线程 kworker 和sshd。

不过， 细?的你肯定也发现了?个怪异的事?： pidstat 输出的上下?切换次数， 加起来也就?百， ? vmstat 的 139 万明显?了太多。 这是怎么回事呢？ 难道是?具本身出了错吗？

别着急， 在怀疑?具之前， 我们再来回想?下， 前?讲到的?种上下?切换场景。 其中有?点提到， Linux 调度的基本单位实际上是线程， ?我们的场景 sysbench 模拟的也是线程的调度问题， 那么， 是不是 pidstat 忽略了线程的数据呢？

通过运? man pidstat ， 你会发现， pidstat 默认显示进程的指标数据， 加上 -t 参数后， 才会输出线程的指标。

所以， 我们可以在第三个终端?， Ctrl+C 停?刚才的 pidstat 命令， 再加上 -t 参数， 重试?下看看：

# 每隔1秒输出一组数据（需要 Ctrl+C 才结束）
# -wt 参数表示输出线程的上下文切换指标
$ pidstat -wt 1
08:14:05      UID      TGID       TID   cswch/s nvcswch/s  Command
...
08:14:05        0     10551         -      6.00      0.00  sysbench
08:14:05        0         -     10551      6.00      0.00  |__sysbench
08:14:05        0         -     10552  18911.00 103740.00  |__sysbench
08:14:05        0         -     10553  18915.00 100955.00  |__sysbench
08:14:05        0         -     10554  18827.00 103954.00  |__sysbench
...

现在你就能看到了， 虽然 sysbench 进程（也就是主线程） 的上下?切换次数看起来并不多， 但它的?线程的上下?切换次数却有很多。 看来， 上下?切换罪魁祸?， 还是过多的 sysbench 线程。

我们已经找到了上下?切换次数增多的根源， 那是不是到这?就可以结束了呢？

当然不是。 不知道你还记不记得， 前?在观察系统指标时， 除了上下?切换频率骤然升?， 还有?个指标也有很?的变化。 是的， 正是中断次数。 中断次数也上升到了1万， 但到底是什么类型的中断上升了， 现在还不清楚。 我们接下来继续抽丝剥茧找源头。

既然是中断， 我们都知道， 它只发?在内核态， ? pidstat 只是?个进程的性能分析?具， 并不提供任何关于中断的详细信息， 怎样才能知道中断发?的类型呢？

没错， 那就是从 /proc/interrupts 这个只读?件中读取。 /proc 实际上是 Linux 的?个虚拟?件系统， ?于内核空间与?户空间之间的通信。 /proc/interrupts 就是这种通信机制的?部分， 提供了?个只读的中断使?情况。

在第三个终端?， Ctrl+C 停?刚才的 pidstat 命令， 然后运?下?的命令， 观察中断的变化情况：

# -d 参数表示高亮显示变化的区域
$ watch -d cat /proc/interrupts
           CPU0       CPU1
...
RES:    2450431    5279697   Rescheduling interrupts
...

观察?段时间， 你可以发现， 变化速度最快的是重调度中断（RES） ， 这个中断类型表示， 唤醒空闲状态的 CPU 来调度新的任务运?。 这是多处理器系统（SMP） 中， 调度器?来分散任务到不同 CPU 的机制， 通常也被称为处理器间中断（InterProcessor Interrupts， IPI） 。

所以， 这?的中断升?还是因为过多任务的调度问题， 跟前?上下?切换次数的分析结果是?致的。

通过这个案例， 你应该也发现了多?具、 多??指标对?观测的好处。 如果最开始时， 我们只?了 pidstat 观测， 这些很严重的上下?切换线程， 压根?就发现不了了。

现在再回到最初的问题， 每秒上下?切换多少次才算正常呢？

这个数值其实取决于系统本身的 CPU 性能。 如果系统的上下?切换次数?较稳定， 那么从数百到?万以内， 都应该算是正常的。 但当上下?切换次数超过?万次， 或者切换次数出现数量级的增?时， 就很可能已经出现了性能问题。

这时， 你还需要根据上下?切换的类型， 再做具体分析。 ??说：

1. ?愿上下?切换变多了， 说明进程都在等待资源， 有可能发?了 I/O 等其他问题；
2. ??愿上下?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；
3. 中断次数变多了， 说明 CPU 被中断处理程序占?， 还需要通过查看 /proc/interrupts ?件来分析具体的中断类型。

5、?结

总结?下， 不管是哪种场景导致的上下?切换， 你都应该知道：

1. CPU 上下?切换， 是保证 Linux 系统正常?作的核?功能之?， ?般情况下不需要我们特别关注。

2. 但过多的上下?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?缩短进程真正运?的时间， 导致系统的整体性能?幅下降。