CPU上下文切換（上）

CPU上下文切換

​ 咱們常常說的平均負載和cpu升高沒有直接的關係，在不一樣的場景cpu升高會致使系統負載，可是系統負載不必定是cpu升高致使的。

1、系統負載太高的三種場景

• cpu密集型進程，使用大量cpu會致使平均負載升高，此時這二者是一致的。

• io密集型進程，等待io也會致使平均負載升高，但cpu不必定很高。

• 大量等待cpu的進程調度也會致使平均負載升高，此時cpu使用率也會比較高。

​ 大量進程競爭cpu（也就是上面的第三個場景），每每是被忽略的，cpu雖然沒有使用，只是在競爭，也會發生負載嗎？

​ 咱們都知道linux是一個多任務操做系統，它支持遠大於cpu數量的任務同時運行，固然這些任務不是同時運行，而是系統在很短期內，將cpu輪流分配給它們，形成多任務同時運行的錯覺。而每一個任務運行前，cpu須要知道任務從哪裏加載、又從哪裏開始運行，也就是說，須要系統事先幫它設置好cpu寄存器和程序計數器。

2、CPU寄存器和程序計數器

1. cpu寄存器：

​ cpu內置的容量小、但速度極快的內存。

2. 程序計數器：

​ 是用來存儲cpu正在執行的指令位置、或者即將執行的下一條指令位置。他們都是cpu在運行任何任務前，必須的依賴環境，所以也被叫作cpu上下文。

3. cpu上下文切換

​ cpu上下文切換：就是先前一個任務的cpu上下文(也就是CPU寄存器和程序計數器）保存起來，而後加載新任務的上下文到這些寄存器和程序計數器，最後再跳轉到程序計數器所指的新位置，運行新任務。

​ 而這些保存下來的上下文，會存儲在系統內核中，並在任務從新調度執行時再次加載進來。這樣就保證原來任務的狀態不受影響，讓任務看起來仍是連續運行。

​ 根據任務不一樣，cpu的上下文切換就能夠分爲不一樣的幾個場景，進程上下文切換，線程上下文切換以及中斷上下文切換。

3.1. 進程上下文切換

​ linux安裝特權等級，把進程的運行空間分爲內核空間和用戶空間

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• 內核空間（Ring0）具備最高權限，能夠直接訪問全部資源；

• 用戶空間（Ring3）只能訪問受限權限，不能直接訪問內存等硬件設備，必須經過系統調用陷入到內核中，才能訪問特權資源。

​ 因此，進程既能夠在用戶空間運行又能夠在內核空間運行，在用戶空間運行時，稱爲用戶態。在內核空間運行時，稱爲內核態。

3.1.1. 系統調用是否發生cpu上下文切換

• 系統調用：cpu寄存器裏面原來的用戶態的指令位置，須要先保存起來。接着，爲了執行內核態代碼，cpu寄存器須要更新爲內核態指令的新位置。最後，才跳轉到內核態運行內核任務。

• 系統調用結束後：cpu寄存器須要恢復原來保存的用戶態，而後再切換到用戶空間，繼續運行進程。因此，一次系統調用，其實發送了兩次cpu上下文切換。
• 系統調用過程當中，並不會涉及到虛擬內存等進程用戶態的資源，也不會切換進程。因此，系統調用一般稱爲特權模式切換，但實際上，系統調用也沒法避免cpu上下文切換。

3.1.2. 進程上下文切換跟系統調用區別

​ 進程是由內核來管理和調度的，進程的切換隻能發生在內核態，因此，進程的上下文不只包括了用戶態的虛擬內存，用戶棧，全局變量等資源。還包括了內核棧、寄存器等內核空間的狀態。

​ 所以，進程的切換比系統調用多了一步：在保存當前進程的內核狀態和cpu寄存器以前，須要先把用戶態的虛擬內存，用戶棧保存下來；在加載了下一進程的內核態後，須要刷新進程的虛擬內核和用戶棧。

​ 保存上下文和恢復上下文的進程並非免費的，須要內存在cpu上運行才能完成。

​ 每次上下文切換都須要幾十納秒到微妙的cpu時間。這個時間仍是至關可觀。在進程上下文切換次數較多的狀況下，很容易致使cpu將大量時間耗費在寄存器、內核棧以及虛擬內存等資源的保存和恢復上，進而大大縮短了真正運行進程的時間。這也是致使平均負載升高的重要因素。

​ linux經過（tlb）來管理虛擬內存和物理內存直接的映射關係，當虛擬內存更新後，tlb也要更新，內存訪問隨之變慢。特別是在多處理器系統上，緩存被多個處理器共享，刷新緩存不只影響當前處理器的進程，還會影響共享緩存的其餘處理器的進程。

3.1.3. 進程何時切換

​ 進程執行完終止了，會釋放cpu，這個時候cpu從就緒隊列裏面拿一個新的進程運行，還有其餘的一些非正常場景也會致使進程切換。

• 時間片耗盡：爲了保證因此進程能夠獲得公平調度，CPU時間被劃分紅一段段的時間片，這些時間片輪流分配給各個進程。當某個時間片耗盡了，就會被系統掛起，切換到其餘等待cpu的進程運行。

• 系統資源不足（如：內存不足）：這個時候進程會被掛起，並由系統調度其餘進程運行。

• 進程主動掛起： 當進程經過睡眠函數sleep這樣的方式將本身主動掛起時。

• 高優先級進程：當有優先級高的進程出現時，爲了保證優先級高的進程運行，當前進程會被系統掛起

• 硬件中斷時：當發生硬件中斷時，Cpu上的進程會被中斷掛起，轉而執行內核中的中斷服務程序。

  3.2. 線程上下文切換

  ​ 線程和進程最大的區別在於，線程是調度的基本單位，而進程則是資源擁有的基本單位。所謂內核中的任務調度，實際上的調度對象是線程；而進程只是給線程提供了虛擬內存、全局變量等資源。因此，對於線程和進程能夠理解爲：

• 當進程只有一個線程時，能夠任務進程就是線程。

• 當進程擁有多個線程時，這些線程共享相同的虛擬內存、全局變量等資源。這些資源在上下文切換時是不須要修改的。

• 另外，線程也有本身的私有數據，如：棧和寄存器等，這些在上下文切換時也是須要保存的。

​ 因此說：

​ 當兩個線程不屬於同一進程時，線程上下文切換時。由於資源不共享，因此切換就至關於時進程間切換。

​ 當兩個線程屬於同一進程時，線程上下文切換時。由於資源共享，只須要切換線程私有數據。

​ 進程間切換消耗的資源多於線程間切換，因此就出現了多線程代替多進程的優點。

3.3. 中斷上下文切換

​ 爲了快速響應硬件的事件，中斷處理會打斷進程的正常調度和執行，轉而調用中斷處理程序，響應設備事件。在打斷其餘進程時，就須要將進程當前狀態保存起來。

​ 跟進程上下文切換不一樣是，中斷上下文切換不會涉及到進程的用戶態。因此，即使中斷過程打斷了一個用戶態的進程，也不須要保存和恢復進程的虛擬內存。全局變量等用戶態資源。中斷上下文，其實只包括內核態中斷服務程序執行必須的狀態，包括cpu寄存器、內核堆棧、硬件中斷參數等。

​ 對同一個cup來講，中斷處理比進程擁有更高的優先級，因此中斷上下文切換並不會與進程上線文切換同時發生。因此大部分中斷處理程序都短小精悍，以便儘快的執行結束。

​ 總結

1. cpu上下文切換，時保持Linux系統正常運行的核心功能之一，通常狀況不須要咱們特別關注。
2. 過多的上下文切換，會把cpu時間消耗在寄存器、內核棧以及虛擬內存等數據的保存和恢復上，從而縮短了進程真正運行的時間，致使系統性能降低。