Linux上下文切换

根据任务的不同,CPU上下文切换分为:

1、进程上下文切换

系统调用 vs 进程上下文切换

1,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。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。

2,系统调用的过程有没有发生 CPU 上下文的切换呢?答案自然是肯定的。

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。最后才是跳转到内核态运行内核任务。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。所以,一次系统调用的过程,其实是发生了两次 CPU 上下文切换。

3,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

4,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。

5,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。

进程调度的时机或原因

1,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。

2,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。

3,当进程通过睡眠函数 sleep 这样的方法将自己主动挂起时。

4,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。

5,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

总结:

主动:sleep

被动:时间片用完、进程抢占、资源不足、中断、

2、线程上下文切换

进程 vs线程

1,线程是调度的基本单位,而进程则是资源拥有的基本单位。(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。)

2,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。

3,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。

线程上下文切换的情况

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。

协程 vs 线程

1,线程的切换系统调度的,上线文切换需要消耗CPU资源。

2,协程是用户自己编写程序在实现调度的,协程依附于某一个线程,不存在上下文切换,只有程序计数器等切换,确保调度运行的逻辑。

3,线程需要有自己的线程栈等资源消耗,协程没有,所以相同的内存空间,协程可以承载更多的并发请求

3、中断上下文切换

为了快速响应硬件事件,中断会打断正常进程的运行,转而调度中断程序进程。

中断上下文切换 vs 进程上线文切换

1,中断处理比进程拥有更高的优先级,中断会打断正常进程的调度和执行

2,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。

3,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。

4、命令如何查看上下文切换

vmstat

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。

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

指标说明:

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

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。