上下文切換，你肯定了解嗎？

本文由雲+社區發表

做者：cocoding

前言

聽到上下文切換，你們第一反應確定是：必定要減小這貨出現的次數。確實上下文切換對性能的影響顯而易見，但有時又沒法徹底避免，這就要求咱們對上下文性能損耗瞭然於胸，才能更準確地評估系統性能。另外，如今雲廠商提供的機器種類如此之多，虛擬機在這方面是否有區別。以上都須要有科學的方法來衡量上下文的耗時，進而幫助系統評估以及機型選擇。

本文將從這如下兩個方面來展開

1. 上下文切換有哪些類型以及可能出現的場景
2. 衡量各場景上下文切換耗時

1， 上下文切換類型及場景

上下文大致上能夠分爲兩類

1. 進程上下文
2. 中斷上下文

進程上下文具體包括：

（1）用戶級上下文: 正文、數據、用戶堆棧以及共享存儲區；

（2）寄存器上下文: 通用寄存器、程序寄存器(IP)、處理器狀態寄存器(EFLAGS)、棧指針(ESP)；

（3）系統級上下文: 進程控制塊task_struct、內存管理信息(mm_struct、vm_area_struct、pgd、pte)、內核棧。

中斷上下文具體包括：

（1）硬件傳遞過來的參數

所以上下文切換能夠分爲如下幾類：

（1）進程之間的上下文切換：A進程切換到B進程

（2）進程和中斷之間的上下文切換：進程A被中斷打斷

（3）中斷之間的上下文切換：低級別中斷被高級別中斷打斷

其中第一種上下文切換最爲常見，第二種次之，第三種最少見，所以本文接下來主要討論前面兩種上下文切換的耗時。

模式切換

這是要說一種特殊的上下文切換：模式切換，即進程A從用戶態由於系統調用進入內核態，這種切換之因此特殊，是由於它並無通過完整的上下文切換，只是寄存器上下文進行了切換，因此模式切換的耗時相對完整進程上下文更低。

雖然模式切換較完整上下文切換耗少，但仍不能小覷，在物理機上，一次系統調用（以SYS_gettid爲例）在50~60ns。（本文全部數據均是Intel(R) Xeon(R) V4和V5 CPU上獲得）而在虛擬機上，一次系統調用更是可能達到

240ns ，從perf來看，system_call_after_swapgs函數消耗CPU較物理機多不少，網上有人說多是爲了解決Spectre漏洞，在每次系統調 用返回用戶空間時，會清理一次BTB（branch target buffer），須要進一步確認。

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所以，咱們在代碼裏面也要儘可能減小系統調用，常見的優化方法有：每次讀寫磁盤時，使用buffer減小read/write調用次數等。

2，上下文切換性能評估

測試上下文切換性能的工具備

1. unixbench
2. tsuna/contextswitch

兩個工具的原理相似，都是建立兩個進程，而後互相喚醒：

（1） unixbench是建立兩個進程，兩個進程之間建立兩個管道（pipe），經過管道來互相讀寫數據，結果是10s內完成的切換次數。

（2） contextswitch一樣是建立兩個進程，經過futex（快速用戶區互斥）來互相喚醒，結果是循環500000次的耗時

進程之間的上下文切換

使用這兩個工具在測試進程上下文時，須要注意一點：把兩個進程綁定到同一個核上運行，不然可能測試的就不只僅是進程上下文切換了，下面會介紹不綁核的狀況。

unixbench

taskset -c 1 ./Run -c 1 context1
複製代碼

對於contextswitch

taskset -c 1 ./timectxsw
複製代碼

或者直接運行make或者./cpubench.sh

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從上圖能夠看到，一次ctx的耗時在1012~1263ns ，但其實perf看，綁核狀況下，運行timectxsw實際的ctx是在300w次（這裏一次循環須要6次ctx），因此實際的ctx應該是674~842ns

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進程和中斷上下文切換

上文提到若是要測試進程上下文切換耗時就必定要綁核，不然測試的極可能會包含進程和中斷上下文切換的耗時，由於默認內核會把測試程序產生的進程調度到不一樣的核上，進程之間的喚醒，須要先發送IPI中斷，對方CPU在收到IPI中斷以後，會完成一次中斷上下文切換，執行中斷函數，進而再喚醒相應進程。因此在不綁核的狀況下，測試的就包含了進程-中斷上下文以及中斷處理函數的耗時。

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unixbench

若是使用unixbench在騰訊雲上，默認調度到1個核上，這樣就測試的進程上下文切換，因此須要手動修改代碼綁核，或者用git上的unixbench-fix，強制將兩個進程放到不一樣的核上

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contextswitch

contextswitch這裏還增長了在同一個NUMA上的測試，從測試數據看，兩個進程若是調度到同一個NUMA上時，耗時會更短。

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從測試數據看：

1. 若是兩個進程跨NUMA，一次上下文切換的耗時在2500ns
2. 若是兩個進程在同NUMA，一次上下文切換的耗時在1500ns

在虛擬機裏面，跨核的上下文切換會更大，由於vcpu沒法處理IPI中斷，須要退出的宿主機上處理，從而增長了上下文切換的耗時，整體上虛擬機跨核ctx的耗時是宿主機的2~3倍。

下一篇文章咱們會對IPI中斷的測試方法以及虛擬化以後可能的優化方法進行介紹，歡迎訂閱，及時查看。

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