性能测试必备知识（5）- 深入理解“CPU 上下文切换”

做性能测试的必备知识系列，可以看下面链接的文章哦

https://www.cnblogs.com/poloyy/category/1806772.html

前言

上一篇文章中，举例了大量进程等待 CPU 调度的场景

灵魂拷问

既然进程是在等待，并没有运行，为什么系统的平均负载还是会升高呢

回答

本文的重点：CPU 上下文切换就是罪魁祸首

先来聊聊 Linux

提出疑问

之前说最好一个 CPU 运行一个进程，这样 CPU 利用率刚刚好
但事实上我们的 Linux 会同时运行很多进程，包括系统态的和自己启动的进程，这不就违背了我们的美好初衷吗？

知识点来回答疑问

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
但多任务其实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

什么是 CPU 上下文

CPU 寄存器和程序计数器（PC）

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
所以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

CPU 内置的容量小，但速度极快的内存

程序计数器

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

CPU 寄存器和程序计数器是 CPU 在运行任何任务前，必须的依赖环境，所以也被叫做 CPU 上下文

CPU 上下文切换

分步骤去理解

先把前一个任务的 CPU 上下文（CPU 寄存器和程序计数器）保存起来
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
保存下来的上下文，会存储到系统内核中，并在任务重新调度执行时再次加载进来，这样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

灵魂拷问一

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？

灵魂拷问二

上面老说到的【任务】到底是什么呢？
是进程，线程？是的，进程和线程是最常见的任务
那除此之外，还有其他的任务吗？

回答

硬件通过触发信号，会导致中断处理程序的调用，也是一种常见的任务

所以，根据任务的不同，CPU 的上下文切换可以分为不同的场景

进程上下文切换
线程上下文切换
中断上下文切换

系统调用

Linux 按照特权等级划分进程的运行空间

分为

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

也就是说，进程既可以在用户空间运行，称为进程的用户态

又可以在内核空间运行，称为进程的内核态

重点：用户态到内核态的转变需要通过系统调用来完成

系统调用的栗子

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() 将内容输出
最后调用 close() 关闭文件

系统调用的过程发生 CPU 上下文的切换

CPU 寄存器里原来用户态的指令位置，需要先保存起来
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
系统调用结束后，CPU 寄存器需要恢复原来保存的用户态
然后再切换回用户空间，继续运行进程

总结下

一次系统调用的过程，其实发生了两次 CPU 上下文切换（用户态切内核态，内核态再切回用户态）
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

和进程上下文切换的不同

进程上下文切换：从一个进程切换到另一个进程运行
系统调用：一直是同一个进程在运行

总结

系统调用过程通常称为特权模式切换，而不是上下文切换
但实际上，系统调用过程中， CPU 上下文切换是无法避免的

进程上下文切换

基础知识点

在 Linux 中，进程是由内核来管理和调度
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

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【保存上下文】
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【加载上下文】

保存上下文和加载上下文的过程需要内核在 CPU 上运行才能完成

进程上下文切换如何影响系统性能？

根据 Tsuna的测试报告，每次上下文切换都需要几十纳秒到数微秒的 CPU 时间
这个时间还是略大的，特别是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
这也正是上一篇文章中讲到的，导致平均负载升高的一个重要因素

TLB 也会受影响？

TLB（Transaction 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

顾名思义，只有在进程切换时才需要切换上下文
换句话说，只有在进程调度时才需要切换上下文

CPU 如何挑选进程来运行？

Linux 为每个 CPU 都维护了一个等待队列
将活跃进程（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

进程什么时候才会被调度到 CPU 上运行？

1 - 主动释放

进程执行完终止了，会释放 CPU，这时候从等待队列中拿一个新的进程来运行

2 - 时间片轮转

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

3 - 资源不足

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 - sleep 函数

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 - 优先级高

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 - 硬中断

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

先来聊下线程和进程的关系

线程和进程的最大区别在于：线程是调度的基本单位，进程是资源分配的基本单位
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，可以任务进程=线程
当进程有多个线程时，线程会共享进程的虚拟内存和全局变量等资源，在线程上下文切换时这些资源是不需要修改的
线程也有独立的数据，比如栈、寄存器等，这些在线程上下文切换时是需要保存的

线程上下文切换的场景一

前后两个线程属于不同进程
此时，因为不同进程的资源不共享，所以线程上下文切换 等同于 进程上下文切换

线程上下文切换的场景二

前后两个线程属于同一个进程
此时，因为同一进程的资源是共享的，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

多线程的优势

线程上下文切换对比进程上下文切换，很明显切换消耗的资源会更少，所以多线程比多进程更有优势

中断上下文切换

中断处理

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

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

和进程上下文切换的不同点

中断上下文切换并不涉及到进程的用户态
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，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

中断上下文不会和进程上下文切换同时发生

对同一个 CPU 来说，中断处理比进程拥有更高的优先级
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

耗资源程度

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
当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

CPU 上下文切换的总结

CPU 上下文切换，是保证 Linux 系统正常工作的核心功能之一，一般情况下不需要关注【CPU 上下文切换是正常核心功能值】
但过多的上下文切换，会把 CPU 时间消耗在寄存器、内核栈、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【数据保存和恢复时间增加，进程运行时间减少，性能下降】