CPU中的上下文

一.简介
二.进程切换
三.线程切换
四.中断切换
五.中断检测和查看
六.模拟

一.简介

Linux是多任务操作系统，cpu划分固定时间片，分给每个进程，当前进程时间片执行完毕，将挂起，运行下一个进程。而进程运行时，需要到寄存器中获得要运行的指令和指令所在内存的位置。

cpu上下文切换，就需要将寄存器中的数据保存到系统内核中，加载新程序的寄存器信息，跳转到计数器所指定的内存位置，开始读取和运行新进程。每次切换需要消耗cpu，繁上下文切换会影响性能。

二.进程切换

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。0为内核态，3为用户态

一个进程如果要输出一些信息，只需要在用户空间完成即可，但要读取文件，就需要到内核空间完成，这个转变，就需要系统调用。需要把原先用户态的指令保存，加载内核态的指令到进寄存器，完成指令。这种不会涉及虚拟内存等用户态资源。只是同进程中，为了完成不同权限指令的切换。

进程由内核管理和调度，切换发生在内核态。上下文中保存了虚拟内存，栈，全局变量等用户空间资源，也保存了内核堆栈，寄存器等内核空间资源。因为除了保存寄存器信息，还需要刷新TLB管理的虚拟内存和用户栈

cpu在每个核心上维护了一个就绪列队，将正在运行和等待运行的进程按优先级和等待cpu时间排序。选择优先级最高和等待cpu时间最长的进程运行。

切换理由：

1.cpu划分固定时间片，分给每个进程，当前进程时间片执行完毕，将挂起，运行下一个进程。

2.运行sleep函数，自动挂起。

3.当前进程资源不足，例如内存需要2G，但内存不够，将挂起，当满足后再运行。

4.有优先级更高的进程，则当前进程挂起，运行新进程。

5.硬件中断，进程挂起，执行内核中的中断服务。

三.线程切换

进程是拥有资源的集合体，而线程是执行操作的单位。关系很像公司中部门和人员的关系。每个部分都有不同的资源，而部门中的人员则使用资源完成任务。

当只有一个线程的时候，线程等于进程

当有多个线程的时候，线程共享虚拟内存，全局变量等资源，这些资源上写文切换时不需要更改。

线程有自己的单独数据，栈和寄存器重存储的内容，切换需要保存。

切换理由：

前后2个线程属于不同进程，等同于进程的切换

前后2个线程属于同进程，切换只需要保存私有数据

相比进程的切换，将要节省更多资源

四.中断切换

当有硬件事件，例如在键盘打字，就会中断当前进程，响应硬件设备。中断切换并不涉及进程用户态，不需要保存和恢复虚拟内存，全局变量等用户态资源。只保存内核态，中断服务程序执行所必须的状态，包括cpu寄存器，内核堆栈，硬件终端参数等。

同cpu中，中断优先级最高，所以中断切换和进程之前切换并不会同时发生。

五.中断检测和查看

1.检查上下文切换情况

vmstat

cs（context switch）是每秒上下文切换的次数

in（interrupt）则是每秒中断的次数

r（Running or Runnable）是就绪队列的长度，也就是正在运行和等待 CPU 的进程数

b（Blocked）则是处于不可中断睡眠状态的进程数

2.每个进程的上下文切换情况

pidstat -w 5

cswch（voluntary context switches）每秒自愿上下文切换的次数

是指进程无法获取所需资源，导致的上下文切换，例如I/O、内存等系统资源不足时

nvcswch（non voluntary context switches）每秒非自愿上下文切换的次数

指进程由于时间片已到，有优先级更高的进程启动等原因，被系统强制调度从而切换。当大量进程抢夺cpu时，就容易发生此类切换。

六.模拟

sysbench，多线程基准测试工具

使用sysstat来检查监控和分析，包含mpstat用于查看每颗cpu的状态，pidstat查看每个进程的状态

rpm -ivh https://mirrors.aliyun.com/epel/epel-release-latest-7.noarch.rpm

yum -y install sysbench sysstat

1.查看空闲系统上下文切换数据，3秒一次

vmstat 3

2.单独开一个终端

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

3.返回第一个终端，可以看到突然变大

r 列：就绪队列的长度已经到了 8，远远超过了系统 CPU，会导致频繁切换

us（user）和 sy（system）列：这两列的 CPU加起来就是100%，sy最高，主要是内核占用

in 列：中断次数也上升到了 1k左右，说明中断处理也是问题

说明等待使用cpu的进程太多，导致大量上下文切换，上下文切换导致cpu占用率升高。

4.查看具体应用

-w 参数表示输出进程切换指标，-u 参数则表示输出 CPU 使用指标

pidstat -w -u 3

可以看到sysbench占用了很高的cpu使用率很高，但没有产生多少上下文切换

5.查看多线程，-t显示线程

pidstat -wt 3

可以看到线程占用的很多

6.查看中断信息

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

watch -d cat /proc/interrupts