Linux性能优化-02.CPU 上下文切换

文章目录结构

  1. CPU 上下文实质
    • 1.1 CPU在Linux任务调度中的工作方式
  2. CPU 的上下文切换的类型
    • 2.1 进程上下文切换
      • 2.1.1 cpu是如何做权限访问控制的?
      • 2.1.2 系统调用
      • 2.1.3 进程上下文切换跟系统调用的区别
      • 2.1.4 上下文切换潜在的性能问题及触发场景
    • 2.2 线程上下文切换
    • 2.3 中断上下文切换
  3. vmstat 查看系统总体的上下文切换情况
  4. pidstat 查看进程/线程的上下文切换情况
  5. 案例分析
  6. 总结

CPU 上下文实质

: 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。
原因说明:
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,从而缩短进程真正运行的时间,导致系统的整体性能大幅下降。

Linux 任务调度系统

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
分配给它们,造成多任务同时运行的错觉。
而在每个任务运行前,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,需要系统事先帮它设置好 CPU 寄存器和程序计数器(Program Counter,PC)。
它们都是 CPU 在运行任何任务前,必须的依赖环境,因此也被叫做 CPU 上下文。

  • 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、或者即将执行的下一条指令位置。

CPU 上下文切换,就是先把前一个任务的CPU上下文(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。
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。

CPU 的上下文切换的类型

进程上下文切换

cpu是如何做权限访问控制的?

Intel的x86处理器是通过Ring级别来进行访问控制的,级别共分4层,权限由高到低, 从Ring0到Ring3。

  • 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
  • 而其他驱动程序位于Ring1、Ring2层
    每一层只能访问本层以及权限更低层的数据。

换个角度看,也就是说,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,而陷入内核空间的时候,被称为进程的内核态。

系统调用(也称 特权模式切换)

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。

一次系统调用的过程会发生2次 CPU上下文的切换:

  1. 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。然后才跳转到内核态运行内核任务。
  2. 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。
进程上下文切换跟系统调用的区别

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。

注: 与通常所说的进程上下文切换的区别

  1. 系统调用一直是在同一个进程中运行的; 而进程上下文切换,是指从一个进程切换到另一个进程运行。
  2. 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。
上下文切换潜在的性能问题及触发场景

进程的上下文切换

来源: 极客时间《linux性能优化实战》

潜在的性能问题:

  1. 一般来说, 每次上下文切换都需要几十纳秒到数微秒的 CPU 时间。切换过于频繁容易导致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。
  2. 另外,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。

进程调度的优先级规则:

只有在进程调度的时候,才需要切换上下文。Linux 为每个 CPU 都维护了一个就绪队列,将活跃进程(即正在运行和正在等待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,也就是优先级最高和等待 CPU 时间最长的进程来运行。

会触发进程调度的场景有:

  1. 进程执行完终止了,它之前使用的 CPU 会释放出来,这个时候再从就绪队列里,拿一个新的进程过来运行。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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
我们可以这么理解:

  • 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。
  • 另外,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。

线程的上下文切换可以分为两种情况:

  1. 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。
  2. 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。

虽然同为上下文切换,但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势。

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。

vmstat 查看系统总体的上下文切换情况

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 上下文切换次数中断次数
示例:

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# 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
...

要特别关注的6列内容:

  • cs(context switch) 每秒上下文切换的次数
  • in(interrupt) 每秒中断的次数
  • r(Running or Runnable) 就绪队列的长度,也就是正在运行和等待 CPU 的进程数。如果远远超过了系统 CPU 的个数,则会有大量的 CPU 竞争
  • b(Blocked) 处于不可中断睡眠状态的进程数
  • us(user) 用户进程占用的cpu的百分比
  • sy(system) 系统进程占用的cpu的百分比

pidstat 查看进程的上下文切换

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。

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# 每隔 5 秒输出 1 组上下文切换数据
$ 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

有两列要重点关注:

  • cswch 表示每秒自愿上下文切换(voluntary context switches)的次数
  • nvcswch 表示每秒非自愿上下文切换(non voluntary context switches)的次数

所谓自愿上下文切换,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。

而非自愿上下文切换,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。

案例分析

查看系统状态

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# 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

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

  • 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。

综合这几个指标,我们可以知道,系统的就绪队列过长,也就是正在运行和等待 CPU 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 的占用率升高。

查看系统CPU占用

用 pidstat 来看一下, CPU 和进程上下文切换的情况:

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# 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 使用率的升高果然是 sysbench 导致的,它的 CPU使用率已经达到了 100%。但上下文切换则是来自其他进程,包括非自愿上下文切换频率最高的 pidstat ,以及自愿上下文切换频率最高的内核线程 kworker 和 sshd。

pidstat 输出的上下文切换次数,加起来也就几百,比 vmstat 的 139 万明显小了太多。这是怎么回事呢?

查看线程的上下文切换

注意 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。

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# 每隔 1 秒输出一组数据
# -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

可以看出sysbench 进程(也就是主线程)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。

查看中断的类型

既然是中断,我们都知道,它只发生在内核态,而 pidstat 只是一个进程的性能分析工具,并不提供任何关于中断的详细信息。
我们可以从 /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。

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# -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

观察一段时间,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 来调度新的任务运行。这是多处理器系统(SMP)中,调度器用来分散任务到不同 CPU 的机制,通常也被称为处理器间中断(Inter-ProcessorInterrupts,IPI)。所以,这里的中断升高还是因为过多任务的调度问题,跟前面上下文切换次数的分析结果是一致的。

根据上下文切换的类型,再做具体分析

  • 自愿上下文切换(cswch)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(nvcswch)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(interrupt)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。

总结

  1. CPU 上下文切换,就是先把前一个任务的CPU上下文(内核状态信息,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。
  2. 进程上下文切换、线程上下文切换、中断上下文切换都会触发CPU 的上下文切换
  3. 进程上下文切换: 在保存当前进程的内核堆栈、寄存器等内核空间的状态之前,需要先把该进程的虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源先保存下来;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。
  4. 通过学习如何查看上下文切换情况,来定位具体问题。vmstat - 系统状态; pidstat - 进程/线程的上下文切换、CPU占用等。
  5. 根据不同类型的上下文切换类型来判断系统出的问题

注: 本系列文章都是学习极客时间《Linux性能优化实战》课程后的笔记