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测试驿栈-由浅入深学性能 CPU 上下文切换详解

飞天小子的性能课堂 · 2020年12月29日 · 最后由 尼古拉斯赵四 回复于 2021年01月06日 · 335 次阅读

什么是上下文

CPU 在运行每个任务之前,都必须知道任务从哪里加载以及哪里开始运行。这些都依赖于系统事先帮它设置好的寄存器和计数器
寄存器
CPU 内置的容量很小,但速度极快的内存空间
计数器
用来存储 CPU 正在运行的任务位置以及即将运行的下一个任务的位置。

寄存器与计数器都是 CPU 在运行任务前必须依赖的环境,也被叫做 CPU 上下文

什么是上下文切换

所谓的上下文切换,就是把上一个任务的寄存器和计数器保存起来,然后加载新任务的寄存器和计数器,最后跳转到新任务的位置开始执行新任务。
CPU 上下文全部存储在系统内核空间里

有哪些上下文切换

1.系统调用上下文切换

linux 进程既可以在用户空间运行,又可以在内核空间中运行。
当它在用户空间运行时,被称为进程的用户态;当它进入进入内核空间的时候,被称为进程的内核态
从用户态到内核态的转变过程,需要通过系统调用来完成
CPU 寄存器里原来的指令位置是在用户态。但是为了执行内核态代码,需要先把用户态的位置保存起来,然后寄存器更新为内核态指令的新位置。最后跳转到内核态运行内核任务。

当系统调用结束后,CPU 寄存器需要恢复原来保存的用户态位置,然后再切换到用户空间,继续运行进程。一次系统调用发生了两次 CPU 上下文切换!

系统调用过程中对用户态的资源没有任何影响,也不会切换进程,所以也称为特权模式切换

2.进程上下文切换

进程是由内核来管理和调度的,所以进程的切换只发生在内核态。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。

进程的上下文切换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再刷新进程的虚拟内存映射关系和用户栈,刷新虚拟内存映射就涉及到 TLB 快表 (虚拟地址缓存),因此会影响内存的访问速度。

单次进程上下文切换的 CPU 时间在几十纳秒到数微秒之间。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,进而影响 cpu 的实际使用率。

进程上下文切换的原因
其一,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。(被动切换)
其二,进程在系统资源不足,这个时候进程也会被挂起,并由系统调度其他进程运行。(主动切换)
其三,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。
其四,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。
第五,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。

3.线程上下文切换

线程与进程的区别在于:线程是调度的基本单位,而进程是资源分配基本单位。内核中的任务调度,实际调度的是线程;而进程只是给线程提供了虚拟内存、全局变量等资源。
1:当进程只有一个线程时,可以认为进程就等于线程
2:当进程拥有多个线程时,共享虚拟内存和全局变量等资源。这些资源在上下文切换时不需要修改
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需要保存

线程的上下文切换分为两种
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

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。中断上下文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

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就现在的硬件性能来说,还有必要纠结这个东西么?或者说这个东西对性能影响很大?

看业务场景是怎么样的,我们这边涉及很多 CPU 密集型的任务,特别是在云原生环境下的 CPU 密集型任务, 了解 CPU 切换和 CPU 调度,能大大提高性能

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