进程用户态上下文切换需要保存哪些_漫话性能：CPU上下文切换

序言

表弟：CPU平均负载zhuanlan.zhihu.com

我们理解了平均负载（ Load Average），并用三个案例展示了不同场景下平均负载升高的分析方法。这其中，多个进程（或线程）竞争 CPU 就是一个经常被我们忽视的问题。

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。我们都知道，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）。

CPU上下文

什么是CPU上下文呢？说直白点就是CPU的寄存器信息，以ARM为例，CPU寄存器信息如下所示：

CPU 寄存器，是 CPU 内置的容量小、但速度极快的内存。而程序计数器，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。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 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。

进程上下文切换

进程上下文切换是指从一个进程切换到另一个进程运行。而系统调用过程中一直是同一个进程在运行。所以，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 的上下文切换还是无法避免的。

特权模式

内核把虚拟地址空间划分为两个部分，因此能够保护各个系统进程，使之彼此隔离。所有的现代CPU 都提供了几种特权级别，进程可以驻留在某一特权级别。每个特权级别都有各种限制，例如对执行某些汇编语言指令或访问虚拟地址空间某一特定部分的限制。IA-32体系结构使用4种特权级别构成的系统，各级别可以看作是环。内环能够访问更多的功能，外环则较少，如图所示:

尽管英特尔处理器区分4种特权级别，但Linux只使用两种不同的状态：核心态和用户状态。两种状态的关键差别在于对高于TASK_SIZE的内存区域的访问。简而言之，在用户状态禁止访问内核空间。用户进程不能操作或读取内核空间中的数据，也无法执行内核空间中的代码。这是内核的专用领域。这种机制可防止进程无意间修改彼此的数据而造成相互干扰。从用户状态到核心态的切换通过系统调用的特定转换手段完成。

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。从用户态到内核态的转变，需要通过系统调用来完成。

系统调用的过程有没有发生 CPU 上下文的切换呢？如下文章有详细分析：

novelinux/system_callsgithub.com

不过，需要注意的是，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。这跟我们通常所说的进程上下文切换是不一样的。

进程上下文切换跟系统调用又有什么区别呢？

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

根据https://blog.tsunanet.net/2010/11/how-long-does-it-take-to-make-context.html 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。这个时间还是相当可观的，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。这也正是导致平均负载升高的一个重要因素。

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。知道了进程上下文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文。显然，进程切换时才需要切换上下文，换句话说，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。那么，进程在什么时候才会被调度到 CPU 上运行呢？最容易想到的一个时机，就是进程执行完终止了，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。其实还有很多其他场景，也会触发进程调度：

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。
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。
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。
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。
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。说白了，所谓内核中的任务调度，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。

所以，对于线程和进程，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。

线程的上下文切换其实就可以分为两种情况：

第一种，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文切换是一样。
第二种，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。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。

查看系统的上下文切换

vmstat

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 上下文切换和中断的次数。比如，下面就是一个 vmstat 的使用示例：

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。

pidstat

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。给它加上 -w 选项，你就可以查看每个进程上下文切换的情况了。

这个结果中有两列内容是我们的重点关注对象。一个是 cswch ，表示每秒自愿上下文切换（voluntary context switches）的次数，另一个则是 nvcswch ，表示每秒非自愿上下文切换（non voluntary context switches）的次数。

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

先用 vmstat 看一下空闲系统的上下文切换次数：

这里你可以看到，现在的上下文切换次数 cs 是3，而中断次数 in 是 8，r 和 b 都是 0。因为这会儿并没有运行其他任务，所以它们就是空闲系统的上下文切换次数。

首先，在第一个终端里运行 sysbench ，模拟系统多线程调度的瓶颈：

sysbench --test=cpu --num-threads=10 --max-time=300  run

接着，在第二个终端运行 vmstat ，观察上下文切换情况

vmstat 1

我们发现，cs 列的上下文切换次数从之前的 0骤然上升到了 3000多。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，等于系统 CPU 的个数 8，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 100%，说明 CPU 主要是被内核占用了。
in 列：中断次数也上升到了 1000多，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。那么到底是什么进程导致了这些问题呢？

pidstat -w -u 1

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。

不过，细心的你肯定也发现了一个怪异的事儿：pidstat 输出的上下文切换次数，加起来也就几百，比 vmstat 的 3000明显小了太多。这是怎么回事呢？难道是工具本身出了错吗？别着急，在怀疑工具之前，我们再来回想一下，前面讲到的几种上下文切换场景。其中有一点提到， Linux 调度的基本单位实际上是线程，而我们的场景 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？通过运行 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里， Ctrl+C 停止刚才的 pidstat 命令，再加上 -t 参数，重试一下看看：

pidstat -wt 1

现在你就能看到了，虽然 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。看来，上下文切换罪魁祸首，还是过多的 sysbench 线程。

我们已经找到了上下文切换次数增多的根源。不知道你还记不记得，前面在观察系统指标时，除了上下文切换频率骤然升高，还有一个指标也有很大的变化。是的，正是中断次数。中断次数也上升到了 2000多，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，怎样才能知道中断发生的类型呢？没错，那就是从 /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。

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-Processor Interrupts，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。

通过这个案例，我们发现了多工具、多方面指标对比观测的好处。如果最开始时，我们只用了 pidstat 观测，这些很严重的上下文切换线程，压根儿就发现不了了。现在再回到最初的问题，每秒上下文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。

小结

如果系统的上下文切换次数比较稳定，那么从数百到一万以内，都应该算是正常的。但当上下文切换次数超过一万次，或者切换次数出现数量级的增长时，就很可能已经出现了性能问题。这时，还需要根据上下文切换的类型，再做具体分析。比方说：

自愿上下文切换变多了，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。